Космологичната сингулярност е теоретична конструкция на определено състояние, в което Вселената е била в началния момент. Особеността на това състояние е, че се характеризира с безкрайна плътност и в същото време безкрайна температура.
Появата на понятието
Космологичната сингулярност е специален случай на гравитационна сингулярност. Ако сме свикнали да разглеждаме материята като някакво гладко и безгранично пространство (многообразие), тогава в областта на гравитационната сингулярност пространство-времето е изкривено. През 1915 - 1916 г. великият физик Алберт Айнщайн публикува своята теория, според която гравитационните ефекти съществуват не като следствие от работата на някакви сили, възникващи между телата или в полета, а в резултат на изкривяването на самото пространство-време. Използвайки своите уравнения, Айнщайн успява да опише връзката между кривината на пространство-времето и материята, която е в него.
По-късно, през 1967 г., Стивън Хокинг използва уравненията на Айнщайн за общата теория на относителността, които описват динамиката на Вселената, за да получи решения за изминалото време. Тоест той определи състоянието на Вселената в началния момент на нейното съществуване и доказа, че такъв момент наистина съществува.
Гравитационна сингулярност
Все още не е възможно да се опише точно гравитационната сингулярност поради причината, че много известни величини в нейните граници клонят към безкрайност или стават несигурни. Например енергийната плътност на избраната отправна система за този регион или скаларната кривина.
Благодарение на работата на теоретичните физици имаме строги доказателства, че такава гравитационна сингулярност трябва да се намира в сърцата на черните дупки, а именно отзад, в противен случай черната дупка просто не би се образувала. За съжаление, по принцип е невъзможно да се наблюдава нещо отвъд хоризонта на събитията, въпреки че има предположения, че има черни дупки, чиято сингулярност се простира малко отвъд своите граници и може да бъде наблюдавана. Космологичната сингулярност се нарича "гола", защото теоретично може да се види.
Свойства, парадокси и последствия от космологичната сингулярност
Основните характеристики на сингулярността са едновременно безкрайна температура и плътност на материята. Човек може да се опита да си представи такова явление като концентрацията на безкрайно голяма маса в безкрайно малък обем. Въпреки това, според физическите изчисления, тези две величини не могат едновременно да се стремят към безкрайност. Както е известно, температурата е тясно свързана с мярката за хаос, която може само да намалява с увеличаване на плътността, както и самата температура.
Надеждно е известно, че има определен момент във времето, в който Вселената се е родила от сингулярност. Но ние не можем да получим никакви знания за това какво се е случило преди сингулярността от изчисления или наблюдения. Освен това централната точка, ядрото, от което е станал Големият взрив, не може да бъде намерена. И най-важното, как космологичната сингулярност роди немислимото на нашата Вселена.
За съжаление, днес развитите физически структури не могат да обяснят наличието на такова явление като сингулярност, тъй като всички съществуващи закони на физиката не са приложими в неговата област. Както казва известният съвременен физик Мичио Каку: „наричаме сингулярност това, което не можем да разберем“.
Вселената, в която живеем, се описва от космологичния стандартен модел. Според този модел нашият свят се е появил преди около тринадесет милиарда години в резултат на Големия взрив на определено свръхплътно състояние на нашата Вселена - сингулярност. Какво е предшествало това събитие, как е възникнала сингулярността, откъде идва нейната маса, е напълно неразбираемо - няма теория за такова състояние. По-нататъшната съдба на разширяващата се Вселена също беше неясна: дали разширяването й ще продължи вечно или ще бъде заменено от компресия до следващата сингулярност.
Теорията за космогенезата, наскоро разработена от руски изследователи и за първи път докладвана през май миналата година на международна конференция във Физическия институт. П. Н. Лебедев от Руската академия на науките показва, че сингулярността е естествен продукт от еволюцията на масивна звезда, която се е превърнала в черна дупка. Една единствена черна дупка може да породи множество „потомства“ в следващите вселени. И този процес продължава непрекъснато, разклонявайки се, като Дървото на света от скандинавските легенди. Многолистният хиперверс е безкраен както в пространството, така и във времето.
Дървото на света
„В началото беше Словото, и Словото беше у Бога, и Словото беше Бог.” Кратко и ясно, но не е ясно. За щастие, освен теология, има и космология - наука за Вселената. Космологичната картина на света по дефиниция е обективна, нерелигиозна по природа и следователно интересна за всеки човек, който цени фактите.
До началото на 20 век космологията остава спекулативна дисциплина: това все още не е физика, основана на емпиричен опит и независим експеримент, а естествена философия, основана на възгледите, включително религиозните, на самия учен. Едва с появата на съвременната теория за гравитацията, известна като ОТО – общата теория на относителността, космологията получава теоретична основа. Многобройни открития в астрономията и физиката дадоха на нашата героиня наблюдателна обосновка. Числените експерименти предоставиха важна подкрепа за теорията и наблюденията. Имайте предвид, че противно на някои твърдения, няма противоречия между общата теория на относителността, от една страна, и наблюденията и експеримента, от друга. Наистина, въз основа на общата теория на относителността те не само изчисляват степента на отклонение на светлинен лъч в гравитационното поле на Слънцето, което, честно казано, не е фундаментално важно за националната икономика, но също така изчисляват орбитите на планетите и космически кораби, както и техническите параметри на ускорителите, включително Големия адронен колайдер. Разбира се, това не означава, че GTR е истината от последна инстанция. Търсенето на нова теория за гравитацията обаче върви в посока на обобщаване на съществуващата, а не на нейното отхвърляне.
Дефиницията, която дадохме на космологията – науката за Вселената – е доста широка. Както Артър Едингтън правилно отбеляза, цялата наука е космология. Ето защо е логично да обясним с конкретни примери кои задачи и проблеми се считат за космологични.
Конструирането на модел на Вселената, разбира се, е космологична задача. Сега е общоприето, че Вселената е хомогенна и изотропна в големи мащаби (повече от 100 мегапарсека). Този модел се нарича модел на Фридман на името на неговия откривател Александър Фридман. В малки мащаби материята на Вселената е подложена на процеса на гравитационно усукване поради гравитационна нестабилност - силата на привличане, действаща между телата, се стреми да ги сближи. В крайна сметка това води до появата на структурата на Вселената - галактики, техните купове и т.н.
Вселената е нестационарна: разширява се и то с ускорение (инфлационна) поради наличието на тъмна енергия в нея – вид материя, чието налягане е отрицателно. Космологичният модел се описва с няколко параметъра. Това е количеството тъмна материя, бариони, неутрино и броят на техните разновидности, стойностите на константата на Хъбъл и пространствената кривина, формата на спектъра на първоначалните смущения на плътността (набор от смущения с различни размери), амплитудата на първичните гравитационни вълни, червеното отместване и оптичната дълбочина на вторичната йонизация на водорода, както и други по-малко значими параметри. Всеки от тях заслужава отделна дискусия, дефинирането на всеки е цяло изследване и всичко това се отнася до проблемите на космологията. Космологичният параметър е не само число, но и физическите процеси, които управляват света, в който живеем.
РАННА ВСЕЛЕНА
Може би още по-важен космологичен проблем е въпросът за произхода на Вселената, за случилото се в Началото.
От векове учените са си представяли Вселената като вечна, безкрайна и статична. Фактът, че това не е така, беше открит през 20-те години на 20 век: нестационарността на решенията на уравненията на гравитацията беше теоретично идентифицирана от вече споменатия А. А. Фридман, а наблюденията (с правилна интерпретация) бяха извършени почти едновременно от няколко астрономи. Методологически е важно да се подчертае, че самото пространство никъде не се разширява: говорим за обемно разширение на мащабен поток от материя, разпространяващ се във всички посоки. Говорейки за Началото на Вселената, имаме предвид въпроса за произхода на този космологичен поток, който е получил първоначалния тласък за разширяване и е получил определена симетрия.
Идеята за вечна и безкрайна Вселена, чрез трудовете на много изследователи от 20-ти век, понякога противно на личните им вярвания, губи почва. Откриването на глобалното разширяване на Вселената означава не само, че Вселената не е статична, но и че нейната възраст е крайна. След много дебати за това на какво е равно и много важни открития от наблюдения, числото се установи: 13,7 милиарда години. Това е много малко. Все пак преди два милиарда години нещо вече пълзеше по Земята. Освен това радиусът на видимата Вселена е твърде голям (няколко гигапарсека) за такава малка възраст. Очевидно огромният размер на Вселената е свързан с друг - инфлационен - етап на разширение, който се е случил в миналото и е заменен от етап на бавно разширение, контролирано от гравитацията на радиацията и тъмната материя. По-късно започва друг етап на ускорено разширяване на Вселената, което се контролира от тъмната енергия. Уравненията на общата теория на относителността показват, че при ускорено разширяване размерът на космологичния поток нараства много бързо и се оказва по-голям от светлинния хоризонт.
Възрастта на Вселената е известна с точност до 100 милиона години. Но въпреки такава „ниска“ точност, ние (човечеството) можем уверено да проследим процеси, настъпили изключително близо във времето до „момента на раждането на Вселената“ - около 10^-35 секунди. Това е възможно, тъй като динамиката на физическите процеси, протичащи на космологични разстояния, е свързана само с гравитацията и в този смисъл е абсолютно ясна. Разполагайки с теория (GTR), можем да екстраполираме космологичния стандартен модел в съвременната Вселена в миналото и да „видим“ как е изглеждал в младостта си. И изглеждаше просто: ранната Вселена беше строго определена и представляваше ламинарен поток от материя, разширяваща се от изключително висока плътност.
ИЗОБРАЖЕНИЕ
Тринадесет милиарда години са приблизително 10^17 секунди. И „естественото“ начало на космологичния поток с такава екстраполация съвпада с времето на Планк - 10^-43 секунди. Общо 43 + 17 = 60 порядъка. Няма смисъл да говорим какво се е случило преди 10^-43 секунди, тъй като поради квантовите ефекти скалата на Планк е минималният интервал, за който е приложима концепцията за непрекъснатост и разширение. В този момент много изследователи се отказаха. Например, не можем да продължим по-нататък, защото нямаме теория, не знаем квантовата гравитация и т.н.
Но всъщност не може да се каже, че Вселената е „родена“ точно на тази възраст. Напълно възможно е потокът от материя да се е „промъкнал“ през свръхплътното състояние за много кратко (Планково) време, тоест нещо да го е принудило да премине през този краткотраен етап. И тогава няма логична задънена улица с времето на Планк и константата на Планк. Просто трябва да разберете какво може да е предшествало началото на космологичното разширение, по каква причина и какво е „влачило“ гравитиращата материя през състояние на свръхвисока плътност.
Отговорът на тези въпроси според нас се крие в природата на гравитацията. Квантовите ефекти играят второстепенна роля тук, променяйки и модифицирайки концепцията за свръхплътна материя за кратък период от време. Разбира се, днес не знаем всички свойства на ефективната материя [тази „материя” се нарича ефективна, защото включва и параметри, описващи възможните отклонения на гравитацията от Общата теория на относителността. Нека припомним в тази връзка, че съвременната наука оперира с отделни физически концепции за материя и пространство-време (гравитация). В екстремни условия в близост до сингулярността такова разделение е условно - оттук и терминът „ефективна материя.“] в екстремни условия. Но като се има предвид краткият период на този етап, ние сме в състояние да опишем целия динамичен процес, разчитайки само на известните закони за запазване на енергията и импулса и като се има предвид, че те винаги са изпълнени в средното метрично пространство-време, независимо какво квантовата „теория на всичко“ ще бъде създадена в бъдеще.
КОСМОГЕНЕЗА
В историята на космологията е имало няколко опита да се заобиколи проблемът за сингулярността и да се замени, например, с концепцията за раждането на Вселената като цяло. Според хипотезата за раждане от „нищото“, светът е възникнал от „точка“, сингулярност, свръхплътна област с много висока симетрия и всичко останало, за което можете да се сетите (метастабилност, нестабилност, квантов преход на подбариера към симетрия на Фридман, и т.н.). При този подход проблемът за сингулярността не беше решен и сингулярността беше постулирана под формата на първоначално свръхплътно вакуумно състояние (виж "Наука и живот" № 11, 12, 1996 г.).
Правени са и други опити за „бягство“ от сингулярността, но цената винаги е била висока. Вместо това беше необходимо да се постулират неясни конструкции или на свръхплътни (подпланкови) състояния на материята, или на „отскоци“ на потока на Фридман от висока плътност (промяна на компресия към разширение), или други хипотетични рецепти за поведението на високо- материя по плътност.
Никой не харесва Сингулярността. Физическата картина на света предполага променящ се, развиващ се, но постоянно съществуващ свят. Ние предлагаме да разгледаме сингулярността по различен начин и да изхождаме от факта, че силно компресираните състояния, в които при определени условия пада и преминава динамична гравитационно взаимодействаща система (в най-простия случай звезда), са обективни и естествени за гравитацията. Отделни зони, като временни мостове или вериги, свързват по-обширни области на нашия свят. Ако това е така, тогава трябва да разберем какво кара материята да изпада в специални сингулярни състояния и как тя излиза от тях.
Както вече споменахме, космологичното разширение започва с космологична сингулярност - мислено обръщайки времето, ние неизбежно стигаме до момента, в който плътността на Вселената се превръща в безкрайност. Можем да считаме тази позиция за очевиден факт, основан на QSM и Общата теория на относителността. След като го приехме за даденост, нека зададем един прост въпрос, произтичащ от това: как възниква сингулярността, как гравитиращата материя попада в свръхкомпресирано състояние? Отговорът е изненадващо прост: това е причинено от процеса на гравитационно компресиране на масивна система (звезда или друга компактна астрофизична система) в края на нейната еволюция. В резултат на колапса се образува черна дупка и като следствие нейната сингулярност. Тоест колапсът завършва със сингулярност, а космологията започва със сингулярност. Ние твърдим, че това е верига от един непрекъснат процес.
Въпросът за произхода на Вселената, след няколко теста, опити за поставянето му и различни интерпретации, придоби солидна научна основа през 21 век под формата на QSM и недвусмисленото му екстраполиране в миналото по линия на общата теория на относителността. При разглеждането на този проблем, започвайки от единствената известна ни Вселена, не трябва да забравяме общия физически принцип, свързан с името на Николай Коперник. Някога се смяташе, че Земята е центърът на Вселената, след това се свързваше със Слънцето, а по-късно се оказа, че нашата Галактика не е единствената, а само една сред многото (има почти трилион видими галактики сам). Логично е да се предположи, че има много вселени. Фактът, че все още не знаем нищо за другите, се дължи на големия размер на нашата Вселена - нейният мащаб със сигурност надхвърля хоризонта на видимост.
Размер (мащаб) на Вселенатае размерът на причинно-следствената област, разтегната по време на нейното разширяване. Размерът на видимостта е разстоянието, което светлината е „пропътувала“ по време на съществуването на Вселената; може да се получи чрез умножаване на скоростта на светлината и възрастта на Вселената. Фактът, че Вселената е изотропна и хомогенна в големи мащаби, означава, че първоначалните условия в отдалечени региони на Вселената са били подобни.
Вече споменахме, че този голям мащаб се дължи на наличието на етап на инфлационна експанзия. В прединфлационния период на Големия взрив разширяващият се поток би могъл да бъде много малък и изобщо да не притежава характеристиките на модела на Фридман. Но как да превърнем малък поток в голям не е проблем на космогенезата, а технически въпрос за съществуването на краен междинен етап на надуване, способен да разшири потока по същия начин, както се увеличава повърхността на надут балон . Основният проблем на космогенезата не е размерът на космологичния поток, а неговият външен вид. Точно както има добре известен метод за образуване на компресирани потоци от материя (гравитационен колапс), трябва да има доста общ и прост физически механизъм за гравитационно генериране („запалване“) на разширяващи се потоци от материя.
ИНТЕГРИРУЕМИ ОСОБЕНОСТИ
И така, как да стигнете „отвъд“ сингулярността? И какво стои зад това?
Удобно е да се изучава структурата на пространство-времето, като мислено се пускат свободни пробни частици в него и се наблюдава как се движат. Според нашите изчисления геодезичните траектории [най-късите разстояния в пространството на определена структура. В евклидовото пространство това са прави линии, в римановото пространство те са кръгови дъги и т.н.] тестовите частици свободно се разпространяват във времето през сингулярни региони от определен клас, които нарекохме интегрируеми сингулярности. (Плътността или налягането се разминават в сингулярността, но обемният интеграл на тези величини е краен: масата на интегрируемата сингулярност клони към нула, тъй като заема незначителен обем.) След като преминат черната дупка, геодезичните траектории се озовават в пространство-времевата област (от френски domaine - област, владение) на бяла дупка, която се разширява с всички признаци на космологичен поток. Тази пространствено-времева геометрия е единна и е логично да се определи като черна и бяла дупка. Космологичният домейн на бяла дупка се намира в абсолютното бъдеще по отношение на родителския домейн на черната дупка, тоест бялата дупка е естествено продължение и поколение на черната дупка.
Тази нова концепция се роди съвсем наскоро. Създателите обявиха появата му през май 2011 г. на научна конференция, посветена на паметта на А. Д. Сахаров, проведена във флагмана на руската физика - Физическия институт. П. Н. Лебедев Руската академия на науките (ФИАН).
Как е възможно това и защо такъв механизъм на космогенеза не е бил разглеждан преди? Нека започнем с отговора на първия въпрос.
Намирането на черна дупка не е трудно, има много от тях наоколо - няколко процента от общата маса на звездите във Вселената е концентрирана в черни дупки. Механизмът на тяхното възникване също е добре известен. Често можете да чуете, че живеем в гробището на черни дупки. Но може ли това да се нарече гробище (краят на еволюцията) или други зони (домейни) на нашия сложен свят, други вселени започват отвъд хоризонтите на събитията на черните дупки?
Знаем, че вътре в черна дупка има специална сингулярна област, в която „пада“ цялата материя, уловена от нея, и където гравитационният потенциал се втурва към безкрайност. Природата обаче не толерира не само празнотата, но и безкрайността или разминаването (въпреки че никой не е отменил големите числа). Успяхме да „преминем“ региона на сингулярност, като изисквахме гравитационните (метрични) потенциали там, а оттам и приливните сили, да останат ограничени.
Дивергенцията на метричните потенциали може да бъде елиминирана чрез изглаждане на сингулярността с помощта на ефективна материя, която я отслабва, но не я елиминира напълно. (Такава интегрируема сингулярност може да се сравни с поведението на тъмната материя при приближаване до центъра на галактика. Нейната плътност клони към безкрайност, но масата, съдържаща се в намаляващия радиус, клони към нула поради факта, че обемът вътре в този радиус намалява по-бързо от увеличаването на плътността. Тази аналогия не е абсолютна: галактическият праг, област с различна плътност, е пространствена структура, а сингулярността на черната дупка възниква като събитие във времето.) Следователно, въпреки че плътността и налягането се разминават, приливът. Силите, действащи върху частицата, са крайни, тъй като зависят от общата маса. Това позволява на тестовите частици свободно да преминават през сингулярността: те се разпространяват в непрекъснато пространство-време и не е необходима информация за разпределението на плътността или налягането, за да се опише тяхното движение. И с помощта на тестови частици можете да описвате геометрия - да изграждате референтни системи и да измервате пространствени и времеви интервали между точки и събития.
ЧЕРНИ И БЕЛИ ДУПКИ
Така че е възможно да се премине през сингулярността. И следователно можем да „видим“ какво стои зад него, през кое пространство-време нашите тестови частици продължават да се разпространяват. И те се озовават в района на бяла дупка. Уравненията показват, че възниква един вид трептене: потокът от енергия от свиващата се област на черната дупка продължава в разширяващата се област на бялата дупка. Не можете да скриете импулса: колапсът се обръща в антиколапс, като същевременно се поддържа пълният импулс. И това е различна вселена, тъй като бяла дупка, пълна с материя, има всички свойства на космологичен поток. Това означава, че нашата Вселена може да е продукт на някакъв друг свят.
Картината, която следва от получените решения на уравненията на гравитацията е следната. Родителската звезда колабира в родителската вселена и образува черна дупка. В резултат на колапса около звездата възникват разрушителни приливни гравитационни сили, които деформират и разкъсват вакуума, раждайки материя в празното преди това пространство. Тази материя от сингулярния регион на черно-бялата дупка навлиза в друга вселена, разширявайки се под въздействието на гравитационния импулс, получен по време на колапса на родителската звезда.
Общата маса на частиците в такава нова вселена може да бъде произволно голяма. Тя може значително да надвишава масата на родителската звезда. В този случай масата на получената (родителска) черна дупка, измерена от наблюдател, разположен в космическото пространство на родителската вселена, е крайна и близка до масата на колабиралата звезда. Тук няма парадокс, тъй като разликата в масите се компенсира от гравитационната енергия на свързване, която е с отрицателен знак. Можем да кажем, че новата вселена е в абсолютното бъдеще по отношение на майчината (старата) вселена. С други думи, можете да стигнете до там, но не можете да се върнете.
АСТРОГЕННА КОСМОЛОГИЯ ИЛИ МНОЖЕСТВЕНА ВСЕЛЕНА
Такъв сложен свят прилича на Дървото на живота (родословно дърво, ако искате). Ако в процеса на еволюция във Вселената се появят черни дупки, то чрез тях частиците могат да навлязат в други клонове (домейни) на Вселената – и така нататък чрез временни гирлянди от черни и бели дупки. Ако черните дупки не се образуват по една или друга причина (например не се раждат звезди), възниква задънена улица – прекъсва се генезисът (създаване) на нови вселени в тази посока. Но при благоприятно стечение на обстоятелствата потокът от „живот“ може да се възобнови и да процъфтява дори от една черна дупка - за това е необходимо да се създадат условия за производството на нови поколения черни дупки в следващите вселени.
Как могат да възникнат „благоприятни обстоятелства“ и от какво зависят? В нашия модел това се дължи на свойствата на ефективната материя, създадена под въздействието на екстремна гравитация в близост до сингулярностите на черно-белите дупки. По същество става дума за нелинейни фазови преходи в квантово-гравитационна материална система, които имат характер на флуктуации и следователно са обект на случайни (бифуркационни) промени. Следвайки крилатата фраза на Айнщайн, можем да кажем, че „Бог хвърля заровете“ и тогава тези зарове (първоначални условия) могат да се оформят в детерминистични области на нови вселени или могат да останат неразвити „ембриони“ на космогенезата. Тук, както и в живота, има закони на естествения подбор. Но това е предмет на по-нататъшни изследвания и бъдеща работа.
КАК ДА ИЗБЕГНЕМ ИНГУЛАРНОСТТА
По едно време беше предложена концепцията за осцилираща или циклична Вселена въз основа на хипотезата за „отскачане“. Според него Вселената съществува под формата на безкраен брой цикли. Разширяването му се заменя с компресия почти до сингулярност, след което разширяването започва отново и редица такива цикли отиват в миналото и бъдещето. Не много ясна концепция, тъй като, първо, няма доказателства от наблюдения, че един ден разширяването на нашия свят ще бъде заменено от компресия, и второ, физическият механизъм, който принуждава Вселената да извършва такива осцилаторни движения, е неясен.
Друг подход към произхода на света е свързан с хипотезата за самовъзстановяващата се Вселена, предложена от руския учен А. Д. Линде, който от много години живее в САЩ. Според тази хипотеза светът може да си представим като врящ котел. В световен мащаб Вселената е топла супа с висока енергийна плътност. В него се появяват мехурчета, които или се свиват, или се разширяват, и то при определени начални условия за дълго време. Предполага се, че характеристиките (всякакъв вид, за който можете да се сетите, включително набор от фундаментални константи) на мехурчетата на нововъзникващите светове имат известен спектър и широк диапазон. Тук възникват много въпроси: откъде се е появил такъв „бульон“, кой го е сварил и какво го поддържа, колко често се реализират първоначалните условия, водещи до появата на вселени от нашия тип и т.н.
КАК МОГАТ ДА СЕ ФОРМИРАТ ИНТЕГРИРУЕМИ ОСОБЕНОСТИ
Докато се приближаваме към сингулярността, нарастващите приливни сили действат върху вакуума на физическите полета, деформирайки го и го разкъсвайки. Това, което се случва, както се казва, е поляризирането на вакуума и раждането на частици материя от вакуума - нейното разпадане.
Тази реакция на физическия вакуум към външното интензивно влияние на бързо променящото се гравитационно поле е добре известна. Това по същество е ефектът на квантовата гравитация - гравитационните напрежения се трансформират в материални полета и се получава преразпределение на физическите степени на свобода. Днес такива ефекти могат да бъдат изчислени в приближението на слабото поле (така наречената полукласическа граница). В нашия случай говорим за мощни нелинейни квантово-гравитационни процеси, при които е необходимо да се вземе предвид обратното гравитационно влияние на генерираната ефективна материя върху еволюцията на средната метрика, която определя свойствата на четириизмерното пространство-време (когато квантовите ефекти в гравитацията станат силни, метриката става „трепереща“ и можем да говорим за нея само в средния смисъл).
Тази посока, разбира се, изисква допълнителни изследвания. Но вече може да се приеме, че според принципа на Льо Шателие обратното влияние ще доведе до такова преструктуриране на метричното пространство, че нарастването на приливните сили, причиняващи неограниченото раждане на ефективна материя, ще бъде спряно и, следователно, метричните потенциали ще спрат да се разминават и ще останат крайни и непрекъснати."
Доктор на физико-математическите науки Владимир Лукаш,
Кандидат на физико-математическите науки Елена Михеева,
кандидат на физико-математическите науки Владимир Строков (Астрокосмически център ФИАН),
Във философията думата "сингулярност", произлизаща от латинското "singulus" - "единичен, индивидуален", означава единичност, уникалност на нещо - същество, събитие, явление. Най-вече съвременните френски философи мислеха за тази концепция - по-специално Жил Дельоз. Той интерпретира сингулярността като събитие, което генерира смисъл и има точков характер. „Това са повратни и инфлексни точки; тесни места, възли, вестибюли и центрове; точки на топене, кондензация и кипене; точки на сълзи и смях, болест и здраве, надежда и униние, точки на чувствителност.” Но в същото време, оставайки конкретна точка, събитието неизбежно е свързано с други събития. Следователно точката е в същото време линия, която изразява всички модификации на тази точка и нейните взаимоотношения с целия свят.
Когато човек създаде машина, която е по-умна от човека, историята ще стане непредсказуема, защото е невъзможно да се предскаже поведението на интелект, превъзхождащ човешкия
В други науки терминът "сингулярност" започва да означава индивидуални, специални явления, за които обичайните закони престават да важат. Например в математиката сингулярността е точка, в която дадена функция се държи неправилно – например клони към безкрайност или изобщо не е дефинирана. Гравитационна сингулярност е област, където пространствено-времевият континуум е толкова извит, че става безкраен. Общоприето е, че гравитационните сингулярности се появяват на места, скрити от наблюдателите - според "принципа на космическата цензура", предложен през 1969 г. от английския учен Роджър Пенроуз. Тя е формулирана по следния начин: „Природата се отвращава от голата (т.е. видимата за външен наблюдател) сингулярност“. В черните дупки сингулярността е скрита зад така наречения хоризонт на събитията - въображаемата граница на черната дупка, отвъд която нищо не излиза, дори светлината.
Но учените продължават да вярват в съществуването на „голи“ сингулярности някъде в космоса. А най-яркият пример за сингулярност е състояние с безкрайно висока плътност на материята, което възниква в момента на Големия взрив. Този момент, когато цялата Вселена е компресирана в една точка, остава загадка за физиците - защото включва комбинация от взаимно изключващи се условия, например безкрайна плътност и безкрайна температура.
В ИТ сферата очакват появата на още една уникалност – технологична. Учените и писателите на научна фантастика използват този термин, за да обозначат повратната точка, след която технологичният прогрес ще се ускори и ще стане толкова сложен, че ще бъде извън нашето разбиране. Този термин първоначално е предложен от американския математик и писател на научна фантастика Върнър Виндж през 1993 г. Той изрази следната идея: когато човек създаде машина, която е по-умна от човека, историята ще стане непредсказуема, защото е невъзможно да се предвиди поведението на интелект, който превъзхожда човешкия интелект. Винге предположи, че това ще се случи през първата третина на 21 век, някъде между 2005 и 2030 г.
През 2000 г. американският експерт по развитието на изкуствения интелект Елиезер Юдковски също предположи, че може би в бъдеще ще има програма за изкуствен интелект, способна да се самоусъвършенства със скорост, многократно по-голяма от човешките възможности. Близостта на тази епоха, според учения, може да се определи по два признака: нарастващата технологична безработица и изключително бързото разпространение на идеите.
„Това вероятно ще бъде най-бързата технологична революция, която досега ни е известна“, пише Юдковски. - Най-вероятно ще падне неочаквано - дори и за учените, участващи в процеса... И тогава какво ще се случи след месец-два (или ден-два) след това? Има само една аналогия, която мога да направя - появата на човечеството. Ще се озовем в постчовешката ера. И въпреки целия ми технически оптимизъм, бих се чувствал много по-комфортно, ако ме делят от тези свръхестествени събития хиляда години, а не двадесет.“
Темата за технологичната уникалност е вдъхновявала киберпънк писателите - например тя се появява в романа на Уилям Гибсън Neuromancer. Показано е и в популярния роман на съвременния писател на научна фантастика Дан Симънс „Хиперион“ - той описва свят, освен хора, обитаван от ИИ - тоест носители на изкуствен интелект, които влизат в конфликт с човечеството.
Как да кажа
Неправилно „Беше единично събитие, когато механизмът излезе извън контрол.“ Точно така - „сингъл“.
Правилно „Сигурен съм, че рано или късно Вселената отново ще се срине в сингулярност.“
Правилно "Обичам този роман - най-доброто описание на технологичната уникалност, което някога съм чел."
Всеки, който се е сблъсквал с термина "сингулярност", се е опитвал да разбере какво е това? Ако направите буквален превод от латински, се оказва, че това е особеността на някакво събитие, създание, явление. Концепцията за уникалност (специалност) е широко разпространена в много области на науката и технологиите и има определена специфика. В зависимост от това сингулярността може да бъде:
- математически;
- гравитационен;
- космологичен;
- технологични;
- биологични.
Но ако погледнете на това по-философски, тогава сингулярността е цялата вселена в една малка точка. И това е не само цялата субстанция на Вселената, но и нашият живот, с неговото осъзнаване, значимост и чувства.
Космологична сингулярност
Иначе това е състоянието, което е имала Вселената в първия момент на Големия взрив. Характеризира се с наличието на безкрайни стойности на плътност и температура на веществото. Това състояние, което се превърна в пример за гравитационна сингулярност, беше предсказано от Айнщайн в разпоредбите на общата теория на относителността. Изключително трудно е да си представим, че Слънцето може да бъде компресирано до размера на атомно ядро, но още по-трудно е да си представим, че цялата Вселена е била компресирана до точка, чийто размер е много по-малък от това ядро. Въпреки това, Вселената е възникнала от такъв обект, наречен сингулярност.Тази версия на събитията е математически изчислена и е основната теория за възникването на околния свят. Но има определени трудности, които не се обясняват с тази теория.
- Никой не знае къде точно се е намирала точката, от чието ядро се е родила нашата Вселена.
- Не е ясно как тази характеристика е „родила“ безкрайни количества енергия и материя.
- Хетерогенността на Вселената също не е напълно ясна. По всички канони той трябваше да стане хомогенен, но тази хомогенност го нямаше дори в първичния газ.
- Физическите закони, които познаваме и които ни помагат да опишем света, с който сме запознати, не работят в случай на сингулярност. От това следва, че е възможно да се опишат само онези събития, които са се случили след Големия взрив, но не и самият взрив, нито прагът към него.
Самият факт на възникване на космологична сингулярност, ако продължим назад във времето решението, което описва динамиката на разширяването на Вселената, е доказан от С. Хокинг през 1967 г. Но той отбеляза, че сингулярността нарушава правилата на физиката. Невъзможно е плътността и температурата да имат безкрайни стойности едновременно. Безкрайната плътност предполага, че мярката на хаоса (ентропията) клони към нула и това не се вписва в безкрайната температура. Космологичната сингулярност (и самият факт на нейното съществуване) се превърна в един от основните проблеми на космологията. Това следва от факта, че цялата налична информация за случилото се след Големия взрив не дава абсолютно никаква информация за явленията, предшестващи това грандиозно събитие. Но научният свят непрекъснато се опитва да реши този проблем и тези опити се случват в различни посоки:
- Предполага се, че ще бъде възможно да се опише динамиката на поле, където няма такива характеристики, използвайки квантовата гравитация, чиято теория все още не е изградена;
- Смята се, че ако вземем предвид квантовите ефекти в негравитационните полета, е възможно да нарушим условието за доминиране на енергията, което Хокинг подчертава;
- Има и други теории за гравитацията, които не се обръщат към сингулярността. В тях материята, компресирана до краен предел, с помощта на гравитационните сили изпитва не привличане, а отблъскване.
Гравитационна сингулярност
Ако говорим на сухия език на физическите термини, то това е точка, разположена в пространство-времето, през която не е възможно точно да се прокара геодезическа линия. Често гравитационната сингулярност прави величините, които описват гравитационното поле, безкрайни или неопределени. Тези величини включват, например, енергийна плътност или скаларна кривина. предполага, че сингулярностите трябва да възникнат по време на образуването на черна дупка. Ако са под хоризонта на събитията, тогава не могат да бъдат наблюдавани. В случая с Големия взрив има оголена сингулярност - нейното наблюдение е напълно възможно, ако, разбира се, сте наблизо. За съжаление е невъзможно да се види директно, следователно, въз основа на нивото на развитие на съвременната физика, това е само теоретичен обект. Когато разпоредбите на квантовата гравитация бъдат разработени, ще бъде възможно да се опише пространство-време в близост до тези обекти.
Всяка черна дупка има две основни характеристики - хоризонт на събитията и сингулярност, която е центърът на тази дупка. Тук се получава изкривяване, както и разкъсване на пространство-времето. Всъщност тук законите на физиката губят своята логика. Има теории, че в такива точки е напълно възможно да се направи преход към други светове. Разработен е математически модел - "мостът Айнщайн-Розен", който потвърждава тази опция. Това може да стане чрез прескачане през сингулярността. Именно тук се пресичат слоевете на Вселената, образувайки своеобразен подпространствен преход. Това е връзка на две дупки – черна и бяла. Това е своеобразна машина на времето и самият факт на прехода не противоречи на принципа на причинно-следствената връзка. Прескачането през сингулярността на въртяща се черна дупка ще направи възможно пътуването във времето във всяка посока. Тъй като черната дупка е заобиколена от хоризонт на събитията, сингулярността не може да се види в голото си състояние. Но въпреки това се създават модели, които позволяват това да се направи с различна степен на реализъм.
Ако завъртите черна дупка до определена скорост, хоризонтът на събитията може да се раздели. Тук обаче има някои трудности. За да завъртите черна дупка, трябва да излеете допълнителна маса в нея, което не е много реалистично поради наличието на ясна граница, след която въртенето на дупката е невъзможно. Но обичайното предположение е, че масата се добавя към вече много бързо въртяща се дупка. Ами ако приемем, че ротацията току-що е започнала? Тази опция ви позволява да завъртите черна дупка до състояние, в което нейната сингулярност става отворена. Вероятно има черни дупки, пътуващи из Вселената, носещи гола сингулярност.
Сингулярност в математиката
Математическата концепция на дадена характеристика е определена точка, в която дадена математическа функция клони към безкрайност. Или функцията има друго неправилно поведение (по-специално критична точка).
Технологична уникалност
Тази концепция се отнася главно до областта на футурологията, изследване, което се опитва да предскаже бъдещето. В този случай някои съществуващи тенденции в технологиите, икономиката и социалните явления се вземат за основа и след това се екстраполират. Смята се, че скоро ще дойде моментът, когато прогресът в науката и технологиите ще стане недостъпен за човешкото разбиране. ум.Това вероятно ще стане реалност, когато стане възможно създаването на изкуствен интелект и започне производството на машини, които се самовъзпроизвеждат. Интегрирането на хората с компютрите или рязката промяна във функционалността на човешкия мозък с помощта на биотехнологии ще доведе до същия резултат. Това ще се превърне в технологичната уникалност, която някои учени прогнозират в близко бъдеще. В. Вий смята, че това ще се случи през 2030 г., а Р. Кърцвейл връща революцията към 2045 г.
Сингулярност в биологията
В биологията това понятие не се използва често. Обикновено се използва като някакво обобщение в еволюционния процес.
Изводи и следствия
Ако математическите, техническите и биологичните особености имат доста осезаеми параметри, тогава ситуацията с характеристиките на други опции е по-сложна. Трудно е да се работи с понятия, които не могат да бъдат „пипнати“ и оценени. Математическите изчисления са нещо надеждно, но само ако обектите на изследване са достатъчно материални. С уникалността всичко е различно. Не само, че не е материално, но все още не е доказано. Следователно използването му, дори хипотетично, повдига въпроси. Ако можете да пътувате през него, за да стигнете до други измерения, тогава как можете да останете непокътнати, докато преминавате през гравитационните Сцила и Харибда? Физиците вероятно ще имат отговори на всички въпроси с течение на времето. И ние определено ще ги разпознаем и най-накрая ще разберем какво е сингулярност.
