Космологічна сингулярність - теоретична побудова якогось стану, в якому знаходився Всесвіт у початковий момент. Особливість цього у тому, що він характеризується нескінченної щільністю і водночас нескінченної температурою.
Виникнення поняття
Космологічна сингулярність є окремим випадком гравітаційної сингулярності. Якщо ми звикли розглядати матерію як деякий гладкий і безкрайній простір (різноманітність), то в області гравітаційної сингулярності простір-час викривляється. У 1915 - 1916 р. великий фізик Альберт Ейнштейн опублікував свою , згідно з якою гравітаційні ефекти існують не як наслідок роботи будь-яких сил, що виникають між тілами або в полях, а внаслідок спотворення самого простору-часу. За допомогою своїх рівнянь Ейнштейн зміг описати зв'язок кривизни простору-часу та матерії, що знаходиться в ньому.
Пізніше, в 1967 році Стівен Хокінг використовував рівняння Ейнштейна для загальної теорії відносності, які описують динаміку Всесвіту, щоб отримати їх рішення для минулого часу. Тобто він визначив стан Всесвіту в початковий момент його існування, і довів, що такий момент справді є.
Гравітаційна сингулярність
Точно описати гравітаційну сингулярність поки що не вдається з тієї причини, що багато відомих величин в її межах спрямовуються до нескінченності або стають невизначеними. Наприклад, густина енергії вибраної системи відліку цієї області або скалярна кривизна.
Завдяки працям фізиків-теоретиків ми маємо суворі докази того, що в серцях чорних дірок, а саме за повинна розташовуватися така гравітаційна сингулярність, інакше чорна дірка просто не сформувалася б. На жаль, спостерігати що-небудь, що знаходиться за горизонтом подій, неможливо в принципі, хоча є припущення, що існують чорні дірки, сингулярність яких трохи виходить за його межі і може бути спостерігається. Космологічна сингулярність називається «голою», оскільки теоретично її можна було б побачити.
Властивості, парадокси та наслідки космологічної сингулярності
Основні характеристики сингулярності – одночасно нескінченна температура та щільність речовини. Подібне явище можна спробувати уявити як зосередження нескінченно великої маси у нескінченно малому обсязі. Однак згідно з фізичними розрахунками ці дві величини не можуть одночасно прагнути до нескінченності. Як відомо, температура тісно пов'язана з мірою хаосу, яка зі збільшенням щільності може лише зменшуватися, як власне і температура.
Достовірно відомо, що існує певний момент у часі, в який із сингулярності зародився Всесвіт. Але жодних знань про те, що було до сингулярності, з розрахунків чи спостережень ми отримати не можемо. Також не може бути знайдено центральну точку, серцевина з якої стався Великий Вибух. А найголовніше, яким чином космологічна сингулярність породила немислимі нашого Всесвіту.
На жаль, на сьогоднішній день розроблені фізичні конструкції не можуть пояснити наявність такого явища, як сингулярність, тому що в її області всі існуючі закони фізики не застосовні. Як сказав відомий фізик сучасності Мітіо Каку: "ми називаємо сингулярністю те, що не можемо зрозуміти".
Всесвіт, в якому ми живемо, описує Космологічна стандартна модель. Згідно з цією моделлю, наш світ з'явився близько тринадцяти мільярдів років тому в результаті Великого вибуху якогось надщільного стану нашого Всесвіту - сингулярності. Що передувало цій події, як виникла сингулярність, звідки з'явилася її маса, було незрозуміло - теорії такого стану немає. Неясна була і подальша доля Всесвіту, що розширюється: чи стане її розширення тривати вічно, або воно зміниться стисненням аж до чергової сингулярності.
Теорія космогенезу, розроблена нещодавно російськими дослідниками та вперше доповідана у травні минулого року на міжнародній конференції у Фізичному інституті ім. П. М. Лебедєва Російської академії наук, показує, що сингулярність - природний продукт еволюції масивної зірки, що перетворилася на чорну дірку. Одна-єдина чорна діра здатна дати численне «нащадство» у наступних всесвітах. І цей процес йде безперервно, гілкуючись, подібно до Дерева Миру зі скандинавських легенд. Багатолистий гіпервсесвіт нескінченний і в просторі, і в часі.
Дерево Миру
«Спочатку було Слово, і Слово було у Бога, і Слово було Бог». Коротко та чітко, але незрозуміло. На щастя, окрім теології існує і космологія – наука про Всесвіт. Космологічна картина світу носить, за визначенням, об'єктивний, нерелігійний характер і тому цікава будь-якій людині, яка цінує факти.
Аж до початку XX століття космологія залишалася умоглядною дисципліною: це була ще не фізика, що спирається на емпіричний досвід і незалежний експеримент, а натурфілософія, що базується на поглядах, у тому числі релігійних, самого вченого. Тільки з появою сучасної теорії гравітації, відомої як ОТО – загальна теорія відносності, космологія набула теоретичної бази. Численні відкриття як в астрономії, так і у фізиці дали нашій героїні наглядові обґрунтування. Важливою підмогою для теорії та спостережень став чисельний експеримент. Зауважимо, що, всупереч деяким твердженням, між ОТО, з одного боку, і спостереженнями та експериментом – з іншого протиріччя немає. Адже на основі ОТО не тільки вирахували величину відхилення променя світла в полі тяжіння Сонця, що, прямо скажемо, не важливо для народного господарства, а й розраховують орбіти планет і космічних апаратів, а також технічні параметри прискорювачів, включаючи Великий адронний колайдер. Звичайно, це не означає, що ОТО – істина в останній інстанції. Однак пошуки нової теорії гравітації йдуть у напрямку узагальнення вже наявної, а не відмови від неї.
Визначення, яке ми дали космології – науці про Всесвіт, – досить широке. За справедливим зауваженням Артура Еддінгтона, вся наука – це космологія. Тому логічно пояснити на конкретних прикладах, які завдання та проблеми належать до космологічних.
Побудова моделі Всесвіту – це, безумовно, космологічне завдання. В даний час загальноприйнято, що Всесвіт однорідний і ізотропний у великих масштабах (понад 100 мегапарсек). Така модель називається Фрідманівська на ім'я її першовідкривача Олександра Фрідмана. У малих масштабах речовина Всесвіту піддається процесу гравітаційного скручування рахунок гравітаційної нестійкості - сила тяжіння, діюча між тілами, прагне зібрати їх разом. У кінцевому рахунку це призводить до виникнення структури Всесвіту - галактик, їх скупчень і т.д.
Всесвіт нестаціонарний: він розширюється, причому з прискоренням (інфляційно) через наявність у ній темної енергії - різновиду матерії, тиск якої негативний. Космологічну модель описують декілька параметрів. Це кількість темної матерії, баріонів, нейтрино і їх сортів, значення постійної Хаббла і просторової кривизни, форма спектра початкових збурень щільності (сукупності збурень різних розмірів), амплітуда первинних гравітаційних хвиль, червоне зміщення і оптична товща вторинної іонізації водню, менш значимі параметри. Кожен з них заслуговує на окрему розмову, визначення кожного - ціле дослідження, і все це відноситься до завдань космології. Космологічний параметр - як число, а й фізичні процеси, управляючі світом, у якому живемо.
РАННЯ ВСЕСВІТ
Можливо, ще важливіша космологічна проблема - питання про походження Всесвіту, про те, що було на Початку.
Протягом століть вчені представляли Всесвіт вічний, нескінченний і статичний. Те, що це не так, виявили в 20-х роках XX століття: нестаціонарність рішень рівнянь гравітації була теоретично виявлена А. А. Фрідманом, а спостереження (з вірною інтерпретацією) виконані майже одночасно декількома астрономами. Методично важливо підкреслити, що сам простір нікуди не розширюється: йдеться про об'ємне розширення великомасштабного потоку матерії, що розтікається на всі боки. Говорячи про Початок Всесвіту, ми маємо на увазі питання про походження цього космологічного потоку, якому було дано початковий поштовх на розширення та надано певну симетрію.
Ідея вічного і нескінченного Всесвіту працями багатьох дослідників XX століття, часом усупереч їхнім особистим переконанням, здала свої позиції. Відкриття глобального розширення Всесвіту означало як те, що Всесвіт нестатична, а й те, що його вік скінчен. Після довгих суперечок про те, до чого він дорівнює, і багатьох важливих спостережних відкриттів утвердилося число: 13,7 мільярда років. Це дуже мало. Адже два мільярди років тому Землею вже щось повзало. До того ж радіус видимого Всесвіту дуже великий (кілька гігапарсек) для такого маленького віку. Очевидно, величезний розмір Всесвіту пов'язані з іншим - інфляційним - етапом розширення, що відбувався у минулому змінився стадією уповільненого розширення, керованого гравітацією випромінювання і темної матерії. Пізніше настає ще один етап прискореного розширення Всесвіту, яким керує вже темна енергія. Рівняння ОТО показують, що з прискореному розширенні розмір космологічного потоку зростає дуже швидко і виявляється більше світлового горизонту.
Вік Всесвіту відомий з точністю 100 мільйонів років. Але, незважаючи на таку «невисоку» точність, ми (людство) можемо впевнено простежити процеси, що протікали надзвичайно близько до «моменту народження Всесвіту» - близько 10-35 секунд. Це можливо тому, що динаміка фізичних процесів, що відбуваються на космологічних відстанях, пов'язана лише з гравітацією і в цьому сенсі є абсолютно ясною. Маючи теорію (ОТО), ми можемо екстраполювати Космологічну стандартну модель в сучасному Всесвіті в минуле і «подивитися», як вона виглядала в молодості. А виглядала вона просто: ранній Всесвіт був строго детермінований і являв собою ламінарний потік матерії, що розширюється від надвеликих щільностей.
СИНГУЛЯРНІСТЬ
Тринадцять мільярдів років – це приблизно 10^17 секунд. А «природне» початок космологічного потоку за такої екстраполяції збігається з планківським часом - 10-43 секунди. Разом 43 + 17 = 60 порядків. Говорити про те, що було раніше 10-43 секунди, безглуздо, оскільки в силу квантових ефектів планківський масштаб - це мінімальний інтервал, для якого поняття безперервності і протяжності застосовується. На цьому місці багато дослідників опускали руки. Мовляв, далі пройти не можна, оскільки ми не маємо теорії, ми не знаємо квантової гравітації тощо.
Однак насправді не можна сказати, що Всесвіт «народився» прямо з цим віком. Цілком можливо, що потік матерії «проскочив» надщільний стан за вельми короткий (планківський) час, тобто щось змусило його пройти той короткочасний етап. І тоді ніякого логічного глухого кута з планківським часом і постійною Планкою немає. Потрібно просто зрозуміти, що могло передувати початку космологічного розширення, з якої причини і що «протягло» гравітуючу матерію через стан надвеликої щільності.
Відповідь ці питання, з погляду, лежить у природі гравітації. Квантові ефекти тут відіграють другорядну роль, видозмінюючи і модифікуючи поняття надщільної матерії протягом короткого інтервалу часу. Звичайно, сьогодні ми не знаємо всіх властивостей ефективної матерії [ефективною ця "матерія" називається тому, що до неї включені також параметри, що описують можливі відхилення гравітації від ОТО. Нагадаємо у зв'язку, що сучасна наука оперує роздільними фізичними поняттями матерії та простору-часу (гравітації). В екстремальних умовах поблизу сингулярності такий поділ умовно - звідси і термін «ефективна матерія».] в екстремальних умовах. Але, враховуючи короткий період цього етапу, ми можемо описати весь динамічний процес, спираючись лише на відомі закони збереження енергії та імпульсу і вважаючи, що вони завжди виконуються в середньому метричному просторі-часі, незалежно від того, яка квантова «теорія всього» буде створена у майбутньому.
КОСМОГЕНЕЗА
В історії космології було кілька спроб обійти проблему сингулярності та замінити її, наприклад, концепцією народження Всесвіту як цілого. Згідно з гіпотезою народження з «нічого», світ виник з «точки», сингулярності, - надщільної області з дуже високою симетрією та рештою, що тільки можна придумати (метастабільність, нестійкість, квантовий підбар'єрний перехід до фридманівської симетрії та ін.). У цьому вся підході проблема сингулярності не вирішувалася, а сингулярність постулювалася як вихідного надщільного вакуумоподобного стану (див. «Наука життя і життя» №№ 11, 12,1996г.).
Робилися й інші спроби «відійти» від сингулярності, проте їхня ціна завжди була високою. Замість цього доводилося постулювати малозрозумілі конструкції або надщільних (субпланківських) станів матерії, або «відскоків» фридманівського потоку від високої щільності (зміна стиснення на розширення), або інші гіпотетичні рецепти поведінки високощільної матерії.
Сингулярність нікому не подобається. Фізична картина світу передбачає видозмінний, еволюціонуючий, але існуючий світ. Ми пропонуємо інакше поглянути на сингулярність і виходити з того, що сильно стислі стани, в які за певних умов потрапляє і проходить динамічна гравітаційно взаємодіюча система (у найпростішому випадку - зірка), об'єктивні та природні для гравітації. Сингулярні області як тимчасові мости або ланцюжки з'єднують протяжніші домени нашого світу. Якщо це так, то треба зрозуміти, що змушує матерію потрапляти в особливі сингулярні стани і як вона з них виходить.
Як згадувалося, космологічне розширення починається з космологічної сингулярності - подумки звертаючи час назад, ми неминуче приходимо до моменту, коли щільність Всесвіту перетворюється на нескінченність. Це становище ми можемо вважати очевидним фактом, що спирається на КСМ та ВТО. Прийнявши його як даність, задамося простим питанням, що витікає звідси: як виникає сингулярність, як гравітуюча матерія потрапляє в надстислий стан? Відповідь напрочуд проста: до цього призводить процес гравітаційного стиску масивної системи (зірки або іншої компактної астрофізичної системи) наприкінці її еволюції. В результаті колапсу утворюється чорна дірка і, як наслідок - її сингулярність. Тобто колапс закінчується сингулярністю, а космологія починається із сингулярності. Ми стверджуємо, що це ланцюжок єдиного безперервного процесу.
Питання про походження Всесвіту, після кількох проб, спроб його постановки та різних трактувань, придбало у XXI столітті міцну наукову основу у вигляді КСМ та її однозначної екстраполяції в минуле рейками ОТО. Відштовхуючись у розгляді цієї проблеми від єдиного відомого нам Всесвіту, ми не повинні забувати про загальний фізичний принцип, пов'язаний з ім'ям Миколи Коперника. Колись вважали, що Земля - центр світобудови, потім його пов'язували із Сонцем, пізніше з'ясувалося, що наша Галактика не єдина, а лише одна серед багатьох (тільки видимих галактик майже трильйон). Логічно припустити, як і всесвітів дуже багато. Те, що ми нічого поки не знаємо про інших, пов'язане з великим розміром нашого Всесвіту - його масштаб свідомо перевищує горизонт видимості.
Розмір (масштаб) Всесвіту- це розмір причинно-пов'язаної області, розтягнутий під час її розширення. Розмір видимості - це відстань, яка «пройшла» світло за час існування Всесвіту, його можна отримати, перемноживши швидкість світла та вік Всесвіту. Те, що Всесвіт на великих масштабах ізотропний і однорідний, означає, що початкові умови у віддалених один від одного областях Всесвіту були подібними.
Ми вже згадували, що це великий масштаб пояснюється наявністю інфляційної стадії розширення. У доінфляційний період Великого вибуху потік, що розширюється, міг бути зовсім маленьким і зовсім не мати риси фрідманівської моделі. А ось як зробити з малого потоку великий - це не проблема космогенезису, а технічне питання існування кінцевої проміжної стадії інфляції, здатної розширити потік подібно до того, як збільшується поверхня повітряної кульки, що надувається. Головна проблема космогенезису над розмірі космологічного потоку, а його появі. Подібно до того, як існує добре відомий спосіб утворення потоків матерії, що стискаються (гравітаційний колапс), повинен бути досить загальний і простий фізичний механізм гравітаційної генерації («запалювання») потоків матерії, що розширюються.
ІНТЕГРУЮТЬСЯ СИНГУЛЯРНОСТІ
Отже, як поринути «за» сингулярність? І що там за нею?
Структуру простору-часу зручно досліджувати, подумки запускаючи до нього вільні пробні частинки і спостерігаючи, як вони рухаються. Згідно з нашими розрахунками, геодезичні траєкторії [найкоротші відстані у просторі певної структури. У евклідовому просторі це прямі, у римановому - дуги кола тощо. пробних частинок вільно поширюються у часі через сингулярні області певного класу, які ми назвали інтегрованими сингулярностями. (У сингулярності розходиться щільність або тиск, але інтеграл за обсягом від цих величин кінцевий: маса інтегрованої сингулярності прагне нуля, оскільки вона займає мізерний об'єм.) Пройшовши чорну дірку, геодезичні траєкторії виявляються в просторово-часовому домені (від франц. domaine - область , володіння) білої дірки, яка розширюється з усіма ознаками космологічного потоку. Ця просторово-часова геометрія єдина, і її логічно визначити як чорно-білу дірку. Космологічний домен білої діри розташований в абсолютному майбутньому по відношенню до батьківського домену чорної діри, тобто біла діра – природне продовження та породження чорної.
Ця нова концепція народилася зовсім недавно. Творці сповістили про її появу у травні 2011 року на науковій конференції, присвяченій пам'яті А. Д. Сахарова, що проходила у флагмані російської фізики – Фізичному інституті ім. П. Н. Лебедєва Російської академії наук (ФІАН).
Яким чином це можливо і чому раніше такий механізм космогенезису не розглядався? Почнемо із відповіді на перше запитання.
Знайти чорну дірку нескладно, їх навколо безліч - у чорних дірах зосереджено кілька відсотків усієї маси зірок Всесвіту. Добре відомий механізм їх виникнення. Часто можна почути, що ми живемо на цвинтарі чорних дірок. Але чи можна це назвати цвинтарем (кінцем еволюції), чи за обріями подій чорних дірок починаються інші зони (домени) нашого складного світу, інші всесвіти?
Ми знаємо, що всередині чорної діри знаходиться особлива сингулярна область, в яку «звалюється» вся речовина, впіймана нею, і де гравітаційний потенціал спрямовується в нескінченність. Проте природа не терпить як порожнечі, а й нескінченностей чи розбіжності (хоча великих чисел ніхто не скасовував). Ми змогли «пройти» область сингулярності, вимагаючи, щоб гравітаційні (метричні) потенціали у ній, отже, і приливні сили залишалися кінцевими.
Розбіжність метричних потенціалів можна усунути, згладивши за допомогою ефективної матерії сингулярність, що послаблює її, але не повністю ліквідує. (Таку інтегровану сингулярність можна порівняти з поведінкою темної речовини при наближенні до центру галактики. Його щільність прагне нескінченності, але укладена всередині радіусу, що зменшується, маса прагне до нуля через те, що обсяг усередині цього радіусу зменшується швидше, ніж зростає щільність. Така аналогія не абсолютна: галактичний касп, область з розбіжною щільністю, - це просторова структура, а сингулярність чорної діри виникає як подія в часі.) Тому, хоча щільність і тиск розходяться, приливні сили, що впливають на частинку, кінцеві, оскільки залежать від повної маси. Це і дозволяє пробним часткам вільно проходити сингулярність: вони поширюються в безперервному просторі-часі, і для опису їх руху інформація про розподіл густини або тиску не потрібна. А за допомогою пробних частинок можна описувати геометрію - будувати системи відліку та вимірювати просторові та часові інтервали між точками та подіями.
ЧОРНО-БІЛІ ДІРИ
Отже, пройти сингулярність можна. І отже, можна «побачити», що ж знаходиться за нею, яким таким простором-часом продовжують поширюватися наші пробні частинки. А потрапляють вони до області білої дірки. Рівняння показують, що відбувається своєрідна осциляція: потік енергії з області чорної діри, що стискається, триває в область, що розширюється, білою. Імпульс не сховаєш: колапс інвертується в антиколапс із збереженням повного імпульсу. І це вже інший всесвіт, оскільки біла дірка, заповнена матерією, має всі властивості космологічного потоку. Це означає, що і наш Всесвіт, можливо, породження якогось іншого світу.
Картина, яка з отриманих рішень рівнянь гравітації, складається така. Батьківська зірка колапсує в материнському всесвіті і формує чорну дірку. В результаті колапсу навколо зірки виникають руйнівні приливні гравітаційні сили, які деформують і розривають вакуум, народжуючи в порожньому просторі матерію. Ця матерія із сингулярної області чорно-білої дірки потрапляє в інший всесвіт, що розширюється під дією гравітаційного імпульсу, отриманого в ході колапсу батьківської зірки.
Сукупна маса частинок у такому новому всесвіті може бути як завгодно великою. Вона може значно перевищувати масу батьківської зірки. При цьому маса чорної діри, що утворюється (батьківської), виміряна спостерігачем, що знаходиться в зовнішньому просторі материнського всесвіту, кінцева і близька до маси зірки, що сколапсувала. Тут немає парадоксу, оскільки різниця мас компенсується гравітаційною енергією зв'язку, що має негативний знак. Можна сказати, що новий всесвіт знаходиться в абсолютному майбутньому по відношенню до материнського (старого) всесвіту. Інакше кажучи, туди потрапити можна, а назад не повернешся.
АСТРОГЕННА КОСМОЛОГІЯ, АБО БАГАТОЛИСНИЙ ВСЕСВІТ
Такий складний світ нагадує Древо Життя (генеалогічне дерево, якщо завгодно). Якщо в процесі еволюції у Всесвіті виникають чорні дірки, то через них частинки можуть потрапити в інші гілки (домени) світобудови - і так далі по гірляндах чорно-білих дір. Якщо ж чорні дірки з тих чи інших причин не утворюються (наприклад, не народжуються зірки), виникає глухий кут - генезис (творіння) нових всесвітів у цьому напрямку переривається. Але при сприятливому збігу обставин потік «життя» може відновитися і розцвісти навіть з однієї чорної діри - для цього необхідно створити умови для нових поколінь чорних дір у наступних всесвітів.
Як можуть виникати «сприятливі обставини» і чого вони залежать? У нашій моделі це пов'язано із властивостями ефективної матерії, що народжується під дією екстремальної гравітації поблизу сингулярностей чорно-білих дірок. По суті, йдеться про нелінійні фазові переходи в квантово-гравітаційній матеріальній системі, що мають характер флуктуації і, отже, схильні до випадкових (біфуркаційних) змін. Наслідуючи врозріз із крилатою фразою Ейнштейна, можна сказати, що «Бог кидає кістки», а далі ці кістки (початкові умови) можуть скластися в детерміновані домени нових всесвітів, а можуть і залишитися нерозвиненими «ембріонами» космогенезису. Тут, як і життя, діють свої закони природного добору. Але це вже предмет подальших досліджень та майбутніх робіт.
ЯК УНИКНУТИ СИНГУЛЯРНОСТІ
Свого часу було запропоновано концепцію осцилюючої, чи циклічної, Всесвіту, заснована на гіпотезі «відскоків». Згідно з нею, Всесвіт існує у вигляді нескінченного числа циклів. Її розширення змінюється стиском майже до сингулярності, після чого знову настає розширення, і ряд таких циклів йде в минуле і майбутнє. Не дуже зрозуміла концепція, оскільки, по-перше, немає спостережних свідчень, що одного разу розширення нашого світу зміниться стисненням, а по-друге, незрозумілий фізичний механізм, який змушує Всесвіт здійснювати такі коливальні рухи.
Інший підхід до походження світу пов'язаний з гіпотезою самовідновлюваного Всесвіту, запропонованого багато років російським ученим А. Д. Лінде, який живе в США. Згідно з цією гіпотезою, світ можна представити як киплячий котел. Глобально Всесвіт – це гарячий бульйон із високою щільністю енергії. У ньому виникають бульбашки, які або схлопуються, або розширюються, причому, за певних початкових умов, тривалий час. Передбачається, що характеристики (будь-які, які тільки можна придумати, включаючи набір фундаментальних констант) бульбашок світів, що виникають, мають деякий спектр і широкий діапазон. Тут виникає багато питань: звідки взявся такий «бульйон», хто його заварив і що підтримує, наскільки часто реалізуються початкові умови, що призводять до появи всесвіту нашого типу та ін.
ЯК МОЖУТЬ УТВОРЮВАТИСЯ СИНГУЛЯРНОСТІ, ЩО ІНТЕГРУЮТЬСЯ
Принаймні наближення до сингулярності наростаючі приливні сили діють вакуум фізичних полів, деформують і розривають його. Відбувається, як то кажуть, поляризація вакууму та народження частинок матерії з вакууму – його пробій.
Така реакція фізичного вакууму на зовнішній інтенсивний вплив швидкозмінного гравітаційного поля добре відома. Це, по суті, ефект квантової гравітації – гравітаційні натяги трансформуються у матеріальні поля, відбувається перерозподіл фізичних ступенів волі. Сьогодні подібні ефекти вміють рахувати у наближенні слабкого поля (так звана квазікласична межа). У нашому ж випадку йдеться про потужні нелінійні квантово-гравітаційні процеси, де необхідно брати до уваги зворотний гравітаційний вплив народженої ефективної матерії на еволюцію середньої метрики, що визначає властивості чотиривимірного простору-часу (коли квантові ефекти в гравітації стають сильними, і про неї можна говорити лише в середньому сенсі).
Цей напрямок вимагає, звичайно, подальших досліджень. Проте вже зараз можна припустити, що, згідно з принципом Ле Шательє, зворотний вплив призведе до такої перебудови метричного простору, що зростання припливних сил, що викликає необмежене народження ефективної матерії, припиниться і, отже, метричні потенціали перестануть розходитися і залишаться кінцевими і безперервними.
Доктор фізико-математичних наук Володимир Лукаш,
Кандидат фізико-математичних наук Олена Міхєєва,
Кандидат фізико-математичних наук Володимир Строков (Астрокосмічний центр ФІАН),
У філософії слово «сингулярність», що походить від латинського «singulus» - «поодинокий, одиничний», позначає одиничність, неповторність чогось - істоти, події, явища. Найбільше над цим поняттям розмірковували сучасні французькі філософи – зокрема Жіль Делез. Він трактував сингулярність як подія, що породжує сенс і має точковий характер. «Це поворотні пункти та точки згинів; вузькі місця, вузли, присінки та центри; точки плавлення, конденсації та кипіння; точки сліз та сміху, хвороби та здоров'я, надії та зневіри, точки чутливості». Але при цьому залишаючись конкретною точкою подія неминуче пов'язана з іншими подіями. Тому точка одночасно є і лінією, що виражає всі варіанти модифікації цієї точки та її взаємозв'язків із усім світом.
Коли людина створить машину, яка буде розумнішою за людину, історія стане непередбачуваною, тому що неможливо передбачити поведінку інтелекту, що перевершує людський.
В інших науках термін «сингулярність» став означати поодинокі, особливі явища, котрим перестають діяти звичні закони. Наприклад, в математиці сингулярність - це точка, в якій функція поводиться нерегулярно - наприклад, прагне нескінченності або не визначається взагалі. Гравітаційна сингулярність - це область, де просторово-часовий континуум настільки викривлений, що перетворюється на нескінченність. Вважають, що гравітаційні сингулярності з'являються в місцях, прихованих від спостерігачів - згідно з «принципом космічної цензури», запропонованим у 1969 році англійським ученим Роджером Пенроузом. Він формулюється так: «Природа живить огиду до голої (тобто видимої зовнішньому спостерігачеві) сингулярності». У чорних дірах сингулярність прихована за так званим горизонтом подій - уявною межею чорної діри, за межі якої нічого не виривається, навіть світло.
Але вчені продовжують вірити в існування десь у космосі голих сингулярностей. А найяскравіший приклад сингулярності - стан із нескінченно великою щільністю матерії, що виникає у момент Великого вибуху. Цей момент, коли весь Всесвіт був стиснутий в одній точці, залишається для фізиків загадкою - тому, що він передбачає поєднання взаємовиключних умов, наприклад, нескінченної щільності та нескінченної температури.
У сфері IT чекають на прихід іншої сингулярності - технологічної. Вчені та письменники-фантасти позначають цим терміном той переломний момент, після якого технічний прогрес прискориться та ускладниться настільки, що виявиться недоступним нашому розумінню. Вихідно цей термін запропонував американський математик і письменник-фантаст Вернор Віндж у 1993 році. Він висловив таку ідею: коли людина створить машину, яка буде розумнішою за людину, історія стане непередбачуваною, тому що неможливо передбачити поведінку інтелекту, що перевершує людський. Віндж припустив, що це відбудеться в першій третині XXI століття, десь між 2005 та 2030 роками.
У 2000 році американський фахівець з розвитку штучного інтелекту Елієзер Юдковський також висловив гіпотезу про те, що, можливо, в майбутньому з'явиться програма штучного інтелекту, здатна вдосконалювати саму себе зі швидкістю, яка багато разів перевершує людські можливості. Близькість цієї ери, на думку вченого, можна визначити за двома ознаками: техногенне безробіття, що росте, і екстремально швидке поширення ідей.
«Ймовірно, це виявиться найстрімкішою технічною революцією з усіх раніше відомих, - писав Юдковський. - Впаде, найімовірніше, як сніг на голову - навіть залученим до процесу вченим… І що ж тоді станеться через місяць чи два (або через день-другий) після цього? Є лише одна аналогія, яку я можу провести – виникнення людства. Ми опинимося в постлюдській ері. І незважаючи на весь свій технічний оптимізм, мені було б набагато комфортніше, якби мене від цих надприродних подій відокремлювали тисяча років, а не двадцять».
Темою технологічної сингулярності надихалися письменники жанру «кіберпанк» – наприклад, вона зустрічається у романі Вільяма Гібсона «Нейромант». Вона показана і в популярному романі сучасного фантаста Дена Сіммонса «Гіперіон» - там описується світ, окрім людей, населений Іскінами - тобто носіями штучного інтелекту, які вступають у конфлікт із людством.
Як говорити
Неправильно "Це був сингулярний випадок, коли механізм вийшов з-під контролю". Правильно – «поодинокий».
Правильно «Я впевнений, рано чи пізно Всесвіт знову зникне в сингулярність».
Правильно «Мені подобається цей роман – найкращий опис технологічної сингулярності з усіх, що я читав».
Кожен, хто стикався з терміном «сингулярність», прагнув усвідомити, а що це таке? Якщо зробити дослівний переклад із латині, то виявиться, що це поодинокість якоїсь події, істоти, явища. Поняття сингулярності (особливості) поширене в багатьох галузях науки і техніки, і має певну специфічність. Залежно від цього, сингулярність може бути:
- математичної;
- гравітаційної;
- космологічній;
- технологічною;
- біологічної.
Але якщо дивитися філософськи, то сингулярність - це все світобудова в крихітній точці. І це не тільки вся речовина Всесвіту, а й наше життя, з її усвідомленням, значимістю та почуттями.
Космологічна сингулярність
Інакше, це той стан, який мав Всесвіт у першу мить Великого вибуху. Воно характеризується наявністю нескінченних значень густини та температури речовини. Цей стан, що став прикладом гравітаційної сингулярності, передбачено Ейнштейном в положеннях загальної теорії відносності. Неймовірно складно уявити, що Сонце можна стиснути до розмірів атомного ядра, але ще важче уявити, що весь Всесвіт був спресований до точки, розмір якої був набагато меншим від цього ядерця. Проте, Всесвіт виник з такого об'єкта, що називається сингулярністю.Цей варіант подій математично прорахований і є основною теорією виникнення навколишнього світу. Але є певні проблеми, які пояснюються цією теорією.
- Ніхто не знає, де саме розташовувалася та точка, з серцевини якої народився наш Всесвіт.
- Не зрозуміло, яким чином ця особливість народила безмежні кількості енергії та матерії.
- Неоднорідність Всесвіту теж зовсім зрозуміла. За всіма канонами, вона мала стати однорідною, але цієї однорідності був навіть у первинному газі.
- Відомі нам фізичні закони, які допомагають описувати звичний нам світ, у разі сингулярності не працюють. З цього випливає, що можливий опис тільки тих подій, що трапилися після Великого вибуху, але не сам вибух і не його переддень.
Сам факт виникнення космологічної сингулярності – якщо продовжити назад у часі рішення, яке описує динаміку розширення Всесвіту, – доведено С. Хокінгом у 1967 році. Але він зазначив, що сингулярність вибивається зі склепінь законів фізики. Неможливо, щоб щільність і температура одночасно мали нескінченні значення. Нескінченна щільність має на увазі, що міра хаосу (ентропія) прямує до нуля, а це не стикується з нескінченною температурою. Космологічна сингулярність (і сам факт її існування) стала однією з найголовніших проблем космології. Це випливає з того, що всі наявні відомості про те, що сталося після Великого вибуху, не дають абсолютно ніякої інформації про ті явища, що передували цій грандіозній події. Але вирішити цю проблему вчений світ намагається безперервно, і ці спроби відбуваються в різних напрямках:
- Допускається, що описати динаміку поля, де немає даних особливостей, буде можливо за допомогою квантової гравітації, теорія якої поки що не побудована;
- Вважається, що якщо врахувати квантові ефекти в негравітаційних полях, можна порушити умову енергодомінантності, а саме на нього зроблений упор у Хокінга;
- Існують інші теорії гравітації, що не апелюють сингулярністю. Вони речовина, стиснене до межі, з допомогою сил гравітації відчуває не тяжіння, а відштовхування.
Гравітаційна сингулярність
Якщо говорити сухою мовою фізичних термінів, то це - точка, що знаходиться в просторі-часі, через яку немає можливості рівно прокласти геодезичну лінію. Найчастіше гравітаційна сингулярність робить нескінченними чи невизначеними величини, що описують гравітаційне поле. До цих величин відносяться, наприклад, густина енергії або скалярна кривизна. передбачає, що сингулярності повинні виникати у процесі формування чорної дірки. Якщо вони під горизонтом подій, то спостерігати їх не можна. У разі Великого вибуху має місце гола сингулярність - її спостереження цілком можливо, якщо, звичайно, виявитися поруч. На жаль, безпосередньо побачити її неможливо, тому вона, з рівня розвитку сучасної фізики, є лише теоретичним об'єктом. Коли буде розроблено положення квантової гравітації, з'явиться можливість опису простору-часу поблизу цих об'єктів.
Кожна чорна діра має дві основні риси – горизонт подій та сингулярність, яка і є центром цієї діри. Тут відбувається спотворення, а також розрив простору-часу. Власне, закони фізики тут втрачають логіку. Існують теорії, що у таких точках цілком можливо здійснити перехід до інших світів. Розроблено математичну модель – «міст Ейнштейна-Розена», що підтверджує такий варіант. Це можна зробити за допомогою стрибка через сингулярність. Саме тут перетинаються верстви Всесвіту, утворюючи подобу підпросторового переходу. Він є з'єднанням двох дірок – чорної та білої. Це своєрідна машина часу, а сам факт переходу не входить у суперечність із принципом причинності. Стрибки через сингулярність чорної діри, що обертається, зроблять реальними подорожі в часі в будь-яких його напрямках. Оскільки чорна діра оточена горизонтом подій, сингулярність побачити в оголеному стані не можна. Але все-таки створюються моделі, які з різним ступенем реалістичності дозволяють це зробити.
Якщо розкрутити чорну дірку до певної швидкості, обрій подій може відокремитися. Однак є деякі труднощі. Щоб розкрутити чорну дірку, потрібно в неї вливати додаткову масу, що не дуже реально через наявність чіткої межі, понад яку обертання дірки неможливе. Але зазвичай приймається положення, що маса додається в діру, що вже дуже швидко обертається. А якщо припустити, що обертання лише почалося? Такий варіант дозволяє розкрутити чорну дірку до стану, коли її сингулярність стане відкритою. Цілком ймовірно, що у Всесвіті подорожують чорні дірки, що хизуються голою сингулярністю.
Сингулярність у математиці
Математичне поняття цієї особливості – це певна точка, у якій математичної функції характерне прагнення нескінченності. Або функція має інші нерегулярності поведінки (зокрема, критична точка).
Технологічна сингулярність
Це поняття відноситься в основному до галузі футурології, вчення, що намагається спрогнозувати майбутнє. За основу в цьому випадку беруться деякі тенденції в технології, економіці, соціальних явищах, а потім проводиться їх екстраполяція. Вважається, що незабаром настане момент, коли прогрес у науці та техніці стане недоступним для розуміння людського. розуму.Ймовірно, це стане реальним після того, як з'явиться можливість створення штучного інтелекту та налагодиться випуск машин, які відтворюють себе. До такого ж результату призведе інтеграція людини з обчислювальними машинами або різка зміна функціональності мозку людини із застосуванням біотехнологій. Це і стане технологічною сингулярністю, яку деякі вчені пророкують у найближчому майбутньому. В. Відж вважає, що це станеться вже 2030 року, а Р. Курцвейл відсуває революцію на рік 2045-й.
Сингулярність у біології
У біології це поняття не часто використовується. Зазвичай воно застосовується як деякі узагальнення в еволюційному процесі.
Висновки та значення
Якщо математична, технічна та біологічна сингулярності мають цілком відчутні параметри, то з особливостями інших варіантів справа складніша. Важко оперувати поняттями, які не можна «помацати» та оцінити. Математичні розрахунки – річ надійна, але у разі, якщо об'єкти досліджень досить матеріальні. Із сингулярністю все інакше. Вона не тільки не матеріальна, а ще й не доведена. Тому застосування її, навіть гіпотетичне, викликає питання. Якщо можна подорожувати крізь неї, щоб потрапити до інших вимірів, то як залишитися цілим, проходячи крізь гравітаційні Сцилу та Харібду? Ймовірно, фізики згодом знайдуть відповіді на всі запитання. І ми обов'язково дізнаємося їх і нарешті зрозуміємо, що таке сингулярність.
