Сингулярность: добро пожаловать в нигде

27 янв Сергей Васильев Комментариев: 20

Пространство-время – та сцена, на которой разворачивается вся история Вселенной: с момента Большого Взрыва, через рождение Млечного Пути, Солнца и расцвет динозавров – к Александру Македонскому и электронным научно-популярным журналам. К нему часто добавляют слово континуум, от латинского «непрерывное» – но кое-где и пространство-время обрывается. Здесь теряют силу привычные законы физики. Здесь время выглядит иначе. Здесь даже нельзя сказать «здесь», поскольку здесь нет и пространства. Это – область нигде и никогда. Это – гравитационная сингулярность.

123K
Притяжение геометрии

 

Со времен древних греков пространство казалось чем-то неизменным, постоянным, однородным, а время – не связанной с ним циклической спиралью вечного возвращения и повторения. К эпохе научно-технических революций эти представления лишь укрепились. Декартова система координат расчертила мир тремя взаимно перпендикулярными осями, время выпрямилось в отдельную, независимую от пространства (и вообще ни от чего) прямую стрелу. Во многом мы до сих пор живем в тех представлениях, возникших еще в XVIII веке. 

 

Революционность взглядов Эйнштейна во многом состояла в понимании двух важных фактов, переворачивающих взгляды и на время, и на пространство. Во-первых, они взаимосвязаны и представляют собой единый пространственно-временной континуум. А во-вторых, континуум этот вовсе не неизменен и не постоянен: он деформируется в присутствии любой формы энергии, в том числе – в виде массы. 

 

Классический способ представить этот обновленный Эйнштейном мир дает пример из геометрии. Представьте себе двухмерное пространство – туго натянутую сетку, на которую положен тяжелый бильярдный шар. Запустите мимо него теннисный мяч: шар немного растянул сетку, и мяч в своем движении отклонится, словно притянутый им, а возможно, даже «упадет» на него. Гравитация в эйнштейновском понимании может рассматриваться как геометрическое свойство пространства-времени, его искажение, возникающее под действием энергии (массы). Даже просто вращающееся массивное тело увлекает за собой «сетку» пространства-времени. 

 

Мысленно расширьте этот пример на четыре измерения (три пространственных плюс одно временное) – и вы получите примерную геометрическую модель реального пространства-времени. Обратите внимание: где есть масса (энергия) – там нет прямых координатных осей, да и само время перестает быть прямолинейным и равномерным для всех наблюдателей. Представление о прямой оказывается просто математической абстракцией: самая прямая вещь, которую мы знаем из физики, – это траектория светового луча, движение фотона – но и оно искажается под действием гравитации. Притянутая материя локально движется по прямой, однако в глобальном рассмотрении эта прямая в гравитационном поле оказывается кривой.

 

©Depositphotos

 

Разрывая сети

 

Но что если мы бросим на сетку из нашего геометрического примера не бильярдный шар, а что-нибудь потяжелее? Гантель, двухпудовую гирю. Скорее всего, наш демонстрационный экспонат не выдержит и лопнет, а в центре его останутся лишь дыра, нити, обрывки пространства-времени нашей модели. Нечто вроде сингулярности. 

 

Даже в философском смысле сингулярность – антоним континуальности (непрерывности, отсутствия лакун, квантованности, разделенности на фрагменты – NS). Сингулярность – нечто, происходящее лишь однажды. Точка, к которой события стремились, пока не разрешились уникальным исходом. Взрыв, слияние, освобождение. В точках сингулярности математические функции резко меняют свое поведение: устремляются в бесконечность, переламываются, внезапно обращаются в ноль. Если переменная Х стремится к нулю, а функция от Х – к бесконечности, знайте: вы уже в сингулярности. В области, где обрывается непрерывная (континуальная) геометрия пространства-времени – и происходит нечто совсем уж невообразимое. 

 

Удивительно, что Общая теория относительности сама обозначает границы своей применимости: в сингулярности «не работает» и она. При этом теория не только указывает на саму возможность существования гравитационных сингулярностей, но в некоторых случаях делает их вообще обязательными. Речь, в частности, о черных дырах – объектах колоссальной плотности, которая делает их невероятно массивными для своих размеров. 

 

Черная дыра может иметь массу, сравнимую с массой крупной планеты или с миллиардом крупных звезд, но эта масса определяет лишь величину той области вокруг нее, где царит одна лишь гравитация – и откуда не вырваться ничему, ни веществу, ни излучению, ни информации. Размер этой «области невозврата» называется радиусом Шварцшильда, а ограничивает ее горизонт событий, условная линия, по одну сторону которой Вселенная живет своими законами, а по другую властвует сингулярность.

 

Черная дыра / ©Wikimedia Commons

 

Гравитационная плюс космологическая

 

Принято говорить, что в сингулярности «законы физики теряют силу». Это не так – просто привычные законы здесь неприменимы, как неприменимы законы классической механики к миру квантовых частиц. По красочному выражению немецкого профессора Клауса Уггла, поведение математических уравнений и функций в сингулярности «становится патологическим». Заметить этот момент достаточно просто – достаточно наблюдать поведение свободно падающих частиц. 

 

Независимо ни от вида самой частицы, ни от того, где именно она падает, она стремится двигаться по максимально прямой траектории, которая только существует в данных условиях. В пустом космосе, у поверхности Земли или за границей горизонта событий частица меняет траекторию лишь под действием других сил, в том числе гравитации. Но в сингулярности гравитационное поле возрастает до бесконечности, и свободно падающая частица просто... перестает существовать. 

 

Прямые здесь обрываются (это свойство сингулярности называется геодезической неполнотой), а с ними обрывается и судьба частицы. Как показал еще около 40 лет назад великий математик Роджер Пенроуз, геодезическая неполнота должна возникать внутри любой черной дыры. Впоследствии его выкладки развил Стивен Хокинг, расширив эти представления до целой Вселенной. 

 

Черная дыра / ©Wikimedia Commons

 

Да, вначале была сингулярность. Еще в 1967 году Хокинг строго доказал, что если взять любой вариант решения уравнений Общей теории относительности и «развернуть их» назад во времени, то при любом раскладе в расширяющейся Вселенной мы придем к ней, к сингулярности. Из бесконечного провала этой «космологической праматери» и распустился цветок нашего пространства-времени. 

 

Впрочем, при всей своей красоте «теоремы сингулярности Пенроуза – Хокинга» лишь указывают на возможность их существования. О том же, что происходит там, внутри, что можно «увидеть» в сердце черной дыры и чем была Вселенная до Большого Взрыва, они не говорят ровным счетом ничего. Возьмем хотя бы космологическую сингулярность Хокинга: она должна иметь одновременно бесконечную плотность и бесконечную температуру, совместить которые пока никак не получается. Ведь бесконечная температура означает бесконечную энтропию, меру хаоса системы – а бесконечная плотность, наоборот, указывает на хаос, стремящийся к нулю.

 

©Wikimedia Commons

 

Сингулярность оголяется

 

Впрочем, это далеко не единственная странность вокруг сингулярности. Среди диковинных гипотез, построенных на строгой основе общей тео­рии относительности, стоит вспомнить идею существования «голых сингулярностей» – не окруженных горизонтом событий, а значит и вполне наблюдаемых извне. 

 

По мнению некоторых физиков, голая сингулярность может появляться из обычной черной дыры. Если черная дыра вращается чрезвычайно быстро, сингулярность вместо точки может приобрести кольцеобразную форму тора, окруженного горизонтом событий. Чем быстрее дыра вращается, тем сильнее сходятся внешний и внутренний горизонты – и в какой-то момент они могут слиться, исчезнув. 

 

К сожалению, в реальности наблюдать голую сингулярность пока не удается, зато в фантастике она встречается регулярно. Одна из населенных разумными существами колоний в культовой киносаге «Звездный крейсер «Галактика» вращается не вокруг звезды или планеты, а вокруг такой голой сингулярности. 

 

Стоит сказать, что Роджер Пенроуз ввел в космологию принцип космической цензуры, предположение, согласно которому голых сингулярностей во Вселенной быть не может. Ученый образно сформулировал свой подход: «Природа не терпит голых сингулярностей». Этот принцип до сих пор остается недоказанным и не опровергнутым окончательно.

 

Голая сингулярность / ©Wikimedia Commons

 

Как (не) попасть в сингулярность

 

Рассуждая логически, можно прий­ти к выводу о том, что оказаться внутри сингулярности мы не сможем никогда – вплоть до момента окончательной гибели Вселенной. Давайте представим частицу, притянутую черной дырой. Вот она, ускоряясь, по спирали приближается к ней. Чем сильнее гравитация и выше скорость, тем, согласно уравнениям того же Эйнштейна, сильнее замедляется течение времени. Наконец наша частица пересекает горизонт событий. 

 

Сколько у нее ушло на это времени? Для стороннего наблюдателя это могут быть годы. Но вот частица устремляется к сингулярности в центре дыры – пространство-время вокруг нее буквально встает на дыбы, время для частицы практически останавливается. Можно представить это и наоборот: время Вселенной в сравнении с ней ускоряется практически бесконечно. 

 

Но ведь даже черные дыры не вечны. Как показал Стивен Хокинг еще в 1970-х, в результате сложной игры гравитации и квантовых эффектов у горизонта событий все черные дыры понемногу испаряются и рано или поздно исчезают. Быть может, исчезнет и частица, так и не добравшись до сингулярности. Но тут снова появляются парадоксы почище тех, что встретились Алисе в Стране Чудес. Например – где же находится эта частица? 

 

©Wikimedia Commons

 

С точки зрения теоретической физики, черные дыры – пустые. Да, их ограничивает горизонт событий, но за ним нет ничего, что можно было бы измерить, обозначить, зафиксировать – а значит, нет ничего вообще. Вся масса черной дыры сосредоточена в сингулярности – бесконечно малой точке, окруженной сферой, полной почти метафизической тьмы.

 

©Wikimedia Commons

 

Что у нее внутри?

 

Некоторые теоретики полагают, что Вселенная не терпит не только голой сингулярности, но и разрывов пространства-времени. Поэтому каждая сингулярность является червоточиной – своего рода провалом, туннелем, соединяющим одну область мира с какой-то другой «прямым ходом», образно называемым «кротовой норой» или «червоточиной». Но это лишь гипотеза, и неизвестно, появится ли у нас когда-нибудь хотя бы возможность подтвердить ее или опровергнуть. 

 

©Wikimedia Commons

 

Главный вопрос остается: что там, внутри сингулярности? Что наступает после того, как сама ткань пространства-времени мнется, растягивается, дыбится, пока не разрывается окончательно? Ответить на него проще простого: неизвестно. 

 

123K

Подпишись на нашу рассылку лучших статей и получи журнал бесплатно!

Комментарии

Аватар пользователя AlexNakedScience

Сколько ни читаю статей, все равно не могу понять многого о сингулярности: где во вселенной можно встретить сингулярность и к какому состоянию, к чему вообще можно применить этот термин? Существование сингулярности доказано или это предположение? Если Большой взрыв возник из сингулярности, то по какой причине и в какой момент перестала существовать сингулярность и произошёл сам взрыв? Если внутри чёрных дыр сингулярность, то где именно она находится? Чётко за горизонтом событий?

Аватар пользователя AlexNakedScience

Правильно ли я понимаю, что сингулярность это состояние и конкретное место во вселенной или за её пределами, в котором существующие законы физики не могут описать никаких или часть явлений? Откуда вообще берётся сингулярность?

Сингулярность -- это математические изыски, попытка применить модель, описывающую один объекта, для другого объекта. В результате получается глупость несусветная: бесконечные плотности, квантово-волновой дуализм, остановка времени и прочая белиберда. Плюньте на всю эту чушь и живите спокойно. Авторы таких статеек не понимают даже что такое Пространство и что такое Время.

Аватар пользователя Vitaly Soldatchenkoff

Если при пересечении горизонта событий теряется смысл понятия "пространство" значит ,с точки зрения наблюдателя, его(пространства) и самой сингулярности нет в нашей Вселенной, либо пространство-время внутри сингулярности выражается в иной форме.

Аватар пользователя AlexNakedScience

А может ли за горизонтом событий, быть такое явление: например самые мельчайшие частицы, которые в данный момент обнаружены человеком, распадаются на ещё более мелкие (может даже до бесконечности)? Существует ли такая теория? И если да, то не знаете как она называется и где можно её почитать? И может есть теории относительно законов, которые действуют за горизонтом событий? Может знаете как они называются?

Аватар пользователя Олег Чистов

Уважаемые читатели! Сингулярность - это материя, имеющая бесконечно малые размеры, с беконечно большой массой.
Это, грубо говоря, точка, которая весит целую Вселенную.
Сингулярность, по мнению современных физиков, можно встретить лишь как вариант - вместо ядра в чёрной дыре. Но это противоречит их же взглядам, т.к. чёрных дыр - неисчислимое количество, а все их "сингулярности" должны иметь бесконечно большую массу,  т.е. каждая чёрная дыра в таком случае должна содержать в себе массу одной Вселенной.
Это, в свою очередь, противоречит закону сохранения энергии-массы, т.к. одна сингулярность (из которой, якобы произошел Большой Взрыв), по определению не может произвести большее количество энергии-массы, чем ней было изначально. Наличие большего количества "сингулярностей" (и вообще их наличие после Большого Взрыва) означает, что энергия-масса может вновь возникать и накапливаться ниоткуда в центре чёрной дыры.
С учётом одной из теорий формирования чёрных дыр - коллапса звезд, сингулярность не может по определению находиться в чёрной дыре, так как у звезды есть заранее известная конкретная масса, которая при коллапсе не может превратиться в бесконечность.
Вывод № 1: слишком много диссертаций написано, опираясь на ОТО и СТО, никто не хочет признавать себя дураком.
Вывод № 2: Сингулярность - это вымышленный "бог" современных учёных, которые вместо того, чтобы разрабатывать новые, перспективные теории, пытаются подстроиться под Эйнштейновские постулаты.
Факт признания учёными сингулярности похож как две капли воды на манифестационизм.

Аватар пользователя AlexNakedScience

Какое же Вам огромное спасибо! Я так долго пыталась сложить все статьи воедино, чтобы понять это, но они постоянно друг другу противоречили! Теперь ясно откуда эти противоречия. Спасибо ещё раз за объяснение!

Горизонт событий на гравитационной воронке отмечен неправильно.
Мы принципиально не можем знать что находится за горизонтом событий, следовательно он должен ограничивать воронку снизу, то есть ниже горизонта воронка должна закончиться.

Аватар пользователя Олег Чистов

Плотное вещество там находится, возможно сверхтяжелые элементы, которые образовались при коллапсе.

Или нет, Вам лучше думать, что там находится другая Вселенная, или какой-нибудь бог?
Или, может, там находится Стивен Хокинг?
Что это за необоснованная вера в неприменение законов физики к сверхплотным объектам? Если и есть "горизонт событий", то как верхние слои "атмосферы" черной дыры.
Мы же не называем озоновый слой "горизонтом озона"

Нет-нет-нет, сингулярность (так в статье) имеет конечную массу, но бесконечную плотность (значит, бесконечно малый размер). Но вес чёрной дыры не бесконечен и даже рассчитывается.
Ну а "определение" мне нравится такое: "сингулярности возникли там, где Бог поделил на ноль" )
Мне вот интересно, что происходит с чёрной дырой (точнее, сожранными ей частицами) после её смерти? они как бы заново рождаются что ли в результате модели Большого Взрыва? )

Аватар пользователя Олег Чистов

Плотность=масса/объём.
Если масса конечна (заранее определена), а все частицы, из которых состоит материя имеют какой-то размер, объём в пространстве, известные заранее (а не стремятся к бесконечности), то откуда возьмётся бесконечная плотность?
Все эти сказки про сингулярности и четвертые измерения - это ярмо на шее физики.

нигде не находил объяснения причины коллапса звезды/нейтронной/блицара в черную дыру, наверно это тема отдельной статьи. как я себе представляю это: субатомные частицы(нейтроны) коллапсируют и вещество превращается в черную дыру со своими законами физики. т.е. причина перехода в другое состояние - высокая плотность или давление (хотя это звучит дилетантски), которое может быть создано также при столкновении частиц в коллайдерах. еще , возможно, существуют микроскопические черные дыры. т.е. масса объекта не важна - главное радиус Шварцшильда (определенная масса, собранная в определенном объеме). хотя с другой стороны, есть сверхъмассивные дыры, в которых плотность может быть не большой, но при этом они остаются черными дырами.
В общем, мои основные мысли, или домыслы, в том, что в ЧД частицы распадаются на составляющие - в центре будут частицы, создающие массу(гравитоны или )

Причина коллапса в том, что в звезде заканчивается "топливо" и она больше не в силах противостоять силе гравитации. В результате, при условии, что масса звезды примерно а 2 раза больше массы Солнца, звезда коллапсирует в ЧД.
Аватар пользователя Олег Чистов

Гравитационный коллапс происходит следующим образом:

Каждая звезда (по имеющимся теориям) формировалась из преимущественно водородного газопылевого облака. Когда материя концентрируется в одном месте, гравитация нарастает, и материя присоединяет к себе всё большие агломерации вещества. Так, скопившись в одном месте, материя начинает разогреваться, а имеющиеся в ней вещества переходить в плазменное состояние.
В недрах новорожденной звезды, при достаточном разогреве, начинают происходить термоядерные реакции (сначала D(дейтерий)+D→T(тритий)+p(протон) + 3,2 МэВ и D+D→He(3,2)+n+4,0 МэВ, а потом D + T→ He(4,2) + n+17,6 МэВ, и так далее.
При этом выделяется большое количество энергии, звезда начинает интенсивно излучать.
Благодаря конвекции, вещество (взрывы, если угодно, от термоядерных реакций) стремится от центра звезды к её краям. Так, звезда, должна расширяться, но она имеет огромную массу и силу тяготения, которая сдерживает конвективные потоки обратно во внутренние слои звезды.
С "возрастом", запасы дейтерия (водорода) заканчивается. В связи с тем, что в ходе термоядерного синтеза образуются более тяжелые ядра химических элементов, при высоких температурах происходит синтез более тяжелых ядер, что приводит к нарастанию концентрации и температуры вещества.
При запасе дейтерия, недостаточного для поддержания термоядерной реакции D + T→ He(4,2) + n+17,6 МэВ, сила собственного тяготения перестаёт компенсироваться конвекцией(это ключевой момент), и звезда, перенасыщенная ядрами тяжёлых элементов, начинает сжиматься от собственной силы тяготения.
Здесь начинается определение дальнейшей судьбы звезды:
- 1 вариант: если масса звезды превышает 3 солнечных, то её ждёт гравитационный коллапс, если при этом возрастающее внутреннее давление будет тормозить гравитационное сжатие, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться выбросом верхних слоёв звезды (вспышка сверхновой). Однако, если масса звезды превысит предел Оппенгеймера — Волкова, то коллапс продолжается до её превращения в чёрную дыру;
- 2 вариант: масса меньше 3 солнечных - звезда просто потихоньку коллапсирует в себя, уменьшается в размерах, уплотняется, теряет светимость, сначала становится жёлтым, потом красным, потом коричневым карликом, и в итоге угасает вовсе.

Масса больше 3х солнечных? А про предел Чандрасекара не слышали?
Аватар пользователя Олег Чистов

Преде́л Чандрасе́кара — верхний предел массы, при котором звезда может существовать как белый карлик. Если масса звезды превышает этот предел, то она становится нейтронной звездой. Существование предела было доказано индийским астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром. В качестве значения обычно берётся 1,44 солнечных массы.
Это про нейтронную звезду, а не чёрную дыру, уважаемый.
Про чёрную дыру вот:
Предел Оппенгеймера — Волкова (по именам выдвинувших эту гипотезу Р. Оппенгеймера и Дж. М. Волкова) — верхний предел массы нейтронной звезды, при которой давление вырожденного нейтронного газа может компенсировать силы гравитации, не давая звезде коллапсировать в чёрную дыру. Одновременно предел Оппенгеймера — Волкова является нижним пределом массы чёрных дыр, образующихся в ходе эволюции звёзд.

Точное значение предела пока неизвестно из-за высокой неопределённости свойств макроскопических состояний вырожденной барионной материи с крайне высокой плотностью: в недрах нейтронных звёзд плотность материи превышает ядерную плотность (~ 1014 г/см³, что в ~108 раз превышает плотность белых карликов) и уравнение состояния такой материи в точности неизвестно.

Современные оценки предела Оппенгеймера — Волкова лежат в пределах 2,5—3 солнечных масс.
Аватар пользователя Олег Чистов

Вес — сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести (Wikipedia).
Чёрная дыра не подвешена, её нельзя взвесить, можно лишь рассчитать её массу.
Аватар пользователя Олег Чистов

По определению теплового движения частиц, в центре чего-то с большой плотностью, а значит горячего - всё равно будет движение.
Если вещество стремится к бесконечно малым размерам - это значит, что все частицы должны приблизиться друг к другу на расстояние, для прохождения которого преодолеваются ядерные и кулоновские силы, а также при этом дополнительно выделяется энергия (отсюда "джеты" у объектов, гипотетически именуемых "черными дырами"). Таким образом, должен происходить ядерный синтез, что, в свою очередь, влечет лишь укрупнение и уплотнение материи, пусть и на малых расстояниях, но не на "бесконечно" малых.
Когда преодолеют сказки относительности, сингулярности и чёрных дыр, тогда закончится каменный век физики.

Еще раз убеждаюсь, что физика -- это уже не наука. Кому-то взбрело в голову, что свет распространяется по прямой, и все "физики" это повторяют... но это же полная ерунда: лучи света загибаются в линзах, искажаются в атмосфере, разлагаются в спектр на призмах, отражаются от зеркал в конце-концов... и чтобы сохранить эту идиотскую максиму про идеальность света начинаются пляски с бубном вокруг черных дыр, сингулярностей, редукции волновых пакетов и прочей ахинее. Специальная теория относительности непротиворечива, но также непротиворечива и геометрия Лобачевского... и что?! из этого делаем вывод, что мы живем в неевклидовом пространстве?

Смешно.

Короче, написанное -- это безграмотная лженаучная ахинея. Всем привет

Что ты несешь? АСТАНОВИСЬ!

Plain text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <iframe> <embed> <br/>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Comment text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <br/>

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии