Что такое сингулярность и почему во Вселенной есть места, где нарушаются законы физики

Эти сингулярности находятся в центрах черных дыр. Они также присутствовали в начале Большого взрыва. Важно понимать, что они не представляют собой ничего физического, а их появление в математических моделях, описывающих физические явления, говорит только о том, что наши теории рушатся, и нуждаются в замене на новые, с более глубоким пониманием происходящего.

Что такое сингулярность?

Сингулярности могут произойти где угодно, и они обычны в математике, которую физики используют для описания Вселенной. Проще говоря, сингулярности — это места, где математика «ведет себя плохо», обычно генерируя бесконечно большие значения. В физике есть примеры математических сингулярностей: как правило, каждый раз, когда в уравнении используется 1/X, когда X стремится к нулю, значение уравнения стремится к бесконечности.

Однако большинство этих сингулярностей обычно можно разрешить, указав на то, что в уравнениях отсутствует какой-то фактор, или отметив физическую невозможность когда-либо достичь точки сингулярности. Другими словами, они, вероятно, не «настоящие».

Но в физике есть сингулярности, которые не имеют простого разрешения. Самыми известными из них являются гравитационные сингулярности — бесконечности, которые появляются в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна , которая в настоящее время является налучшим способом описания гравитационных взаимодействий.

В ОТО есть два типа сингулярностей: координатные и истинные. Координатные сингулярности возникают, когда бесконечность появляется в одной системе координат, но исчезает в другой. Например, физик Карл Шварцшильд применил ОТО к простой системе сферической массы, такой, как звезда. Он обнаружил, что решение содержит две сингулярности, одну в центре массы и одну на расстоянии от центра, известном сегодня как радиус Шварцшильда. В течение многих лет физики думали, что обе сингулярности сигнализируют о нарушениях в теории, но это не имело значения, пока радиус сферической массы был больше, чем радиус Шварцшильда. В конце концов, все, что нужно физикам практически, — это чтобы ОТО предсказывала гравитационное влияние за пределами взаимодействующих масс.

Но что произошло бы, если бы физические размеры объекта оказались меньше его радиуса Шварцшильда? Тогда эта сингулярность будет находится за пределами массы, порождающей ее, и это будет означать, что ОТО не работает в этой области. Вскоре было обнаружено, что сингулярность на радиусе Шварцшильда является координатной. Изменение системы координат устраняет сингулярность, сохраняя ОТО, и позволяя ей делать достоверные прогнозы.

Где возникают гравитационные сингулярности?

Но оставалась сингулярность в центрах сферических масс. Если вы сожмете объект, настолько, что его физический радиус станет меньше его радиуса Шварцшильда, его собственная гравитация станет настолько сильной, что он продолжит сжиматься уже сам по себе, вплоть до бесконечно малой точки. В течение десятилетий физики обсуждали, возможен ли коллапс до бесконечно малой точки в реальности или же какая-то другая сила способна предотвратить его.

Что такое голые сингулярности?

Любой объект, который примерно в шесть раз и более превышает массу Солнца, будет иметь достаточно большую гравитацию, чтобы, подавляя все остальные силы, коллапсировать в бесконечно малую точку. Это и есть истинная сингулярность.

Такая точка, бесконечной плотности, окруженная горизонтом событий, расположенным на радиусе Шварцшильда и есть то, что мы называем черной дырой. Согласно статье в Quanta Magazine, горизонт событий «защищает» сингулярность, не позволяя сторонним наблюдателям увидеть ее, если только они не пересекут поверхность сферы Шварцшильда. Физики долгое время считали, что все подобные сингулярности в ОТО окружены горизонтами событий, и эта концепция была известна как гипотеза космической цензуры. Но компьютерное моделирование и теоретические работы указали на вероятность существования голых сингулярностей. Голая сингулярность – это сингулярность без горизонта событий, полностью наблюдаемая из внешней по отношению к ней части Вселенной. Существуют ли такие сингулярности физически продолжает оставаться предметом серьезных споров.

Что на самом деле находится в центре черной дыры?

Никто не знает, что на самом деле находится в центре черной дыры . Чтобы понять это, нам нужна теория гравитации за пределами ОТО. В частности, нам нужна квантовая теория гравитации, которая сможет описывать поведение сильной гравитации на уровне элементарных частиц.

Гипотезы, которые изменяют или заменяют ОТО, чтобы дать нам замену сингулярности черной дыры, включают звезды Планка (сильно сжатая экзотическая форма материи), гравазвезды (тонкая оболочка материи, поддерживаемая экзотической гравитацией) и звезды темной энергии (экзотическое состояние энергии вакуума, которое ведет себя как черная дыра). На сегодняшний день все эти идеи являются гипотетическими, и верный ответ должна дать квантовая теория гравитации, когда она будет разработана.

Что такое сингулярность Большого взрыва?

Теория Большого взрыва, которая предполагает истинность ОТО, является современной космологической моделью истории Вселенной. Он также содержит сингулярность. В далеком прошлом, примерно 13,77 миллиарда лет назад, согласно теории Большого взрыва, вся Вселенная была сжата в бесконечно малую точку.

Но физики знают, что это неверный вывод – сбой математического аппарата ОТО, упершейся в предел ее применимости. Хотя теория Большого взрыва чрезвычайно успешно описывает историю космоса с момента «ноль», наличие сингулярности, как и в случае с черными дырами, говорит ученым о том, что ОТО неполна, и нуждается в обновлении.

Одно из возможных решений сингулярности Большого взрыва — теория причинных множеств. Согласно теории причинных множеств, пространство-время не является гладким континуумом, как это допускается в ОТО, а состоит из дискретных фрагментов, называемых «атомами пространства-времени». Поскольку ничто не может быть меньше одного из этих «атомов», сингулярности невозможны.

Если бы Вселенная действительно появилась из чрезвычайно горячего, плотного образования, если бы пространство и время возникли одномоментно, у современной Вселенной были бы признаки, которых у нее нет. Следовательно, в начале Вселенной был вовсе не Большой взрыв. Но что?.

По материалам Live Science

Читайте также:

Что такое Большой взрыв?

Черная дыра: что это такое