• Перевод

Иллюстрация нашей космической истории, от Большого взрыва и до сегодняшнего дня, в контексте расширяющейся Вселенной. Большому взрыву предшествовало состояние космической инфляции, но идея о том, что перед этим должна была существовать сингулярность, ужасно устарела.

Почти все слышали о Большом взрыве. Но если попросить разных людей, от обывателей до космологов, закончить предложение: «Вначале было…», вы получите множество различных ответов. Один из наиболее распространённых – «сингулярность», то есть, момент, когда вся материя и энергия Вселенной сконцентрировались в одной точке. Температура, плотность и энергия были бы сколь угодно, бесконечно большими, и это могло совпадать с зарождением самого пространства и времени.

Но эта картина не просто неверна, она уже лет 40, как устарела! Мы совершенно уверены в том, что с горячим Большим взрывом не было связано никакой сингулярности, и у пространства и времени могло вообще не быть момента зарождения. Вот, что нам известно, и откуда.



Астрономическое наблюдение GOODS-Север , проведённое при помощи телескопа Хаббл, позволило рассмотреть некоторые из наиболее удалённых галактик, которые мы когда-либо видели, многие из которых уже находятся на недостижимом для нас расстоянии. Заглядывая всё дальше и дальше, мы обнаруживаем, что наиболее удалённые галактики удаляются от нас всё быстрее и быстрее, благодаря расширению Вселенной.

Сегодняшняя Вселенная заполнена галактиками во всех направлениях и на разных расстояниях. В среднем, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Это происходит не из-за реального движения галактик в локальном для них космосе; всему виной расширение самой ткани пространства.

Такое предсказание было одним из необычных результатов, полученных из Общей теории относительности в 1922 году советским физиком Александром Фридманом , которое потом было подтверждено в наблюдениях Эдвина Хаббла и других учёных в 1920-х. Это означает, что с течением времени материя Вселенной рассредоточивается и становится менее плотной, поскольку объём Вселенной увеличивается. Это также означает, что в прошлом Вселенная была плотнее, горячее и более однородной.

Экстраполировав развитие назад, мы приходим к ранним более горячим и плотным состояниям. Приводит ли всё это к сингулярности, в которой перестают работать законы физики?

Экстраполировав развитие назад во времени, вы начнёте замечать несколько важных изменений Вселенной. В частности:

• Вы прибудете в эру, в которой у гравитации не было времени, чтобы сформировать из материи достаточно большие комки для появления звёзд и галактик.
• Затем вы прибудете туда, где Вселенная была настолько горячей, что не могла сформировать нейтральные атомы.
• Затем будет состояние, в котором даже ядра атомов будут разбиваться на части.
• Затем – где будут спонтанно появляться пары частиц материи-антиматерии.
• Затем – где отдельные протоны и нейтроны будут распадаться на кварки и глюоны.

В сингулярности ломается обычная физика, включая и момент самого начала Вселенной. Однако, у достижения сколь угодно горячего и плотного состояния есть свои последствия, многие из которых не подтверждаются наблюдениями.

Каждый шаг представляет Вселенную всё более молодую, маленькую, плотную и горячую. Продолжая экстраполяцию, мы увидим, что плотность и температура вырастает до бесконечных значений, в момент, когда вся материя и энергия Вселенной содержалась в одной точке: в сингулярности. Горячий Большой взрыв, как о нём думали изначально, представлял собой не просто горячее, плотное и расширяющееся состояние, но и тот момент, когда все законы физики переставали работать. Это было зарождение пространства и времени, способ заставить всю Вселенную внезапно появиться из ниоткуда. Это был изначальный акт творения: сингулярность, связываемая с Большим взрывом.

Звёзды и галактики, которые мы видим сегодня, не существовали всегда. Чем дальше мы пройдём назад по времени, тем ближе к сингулярности будет подходить Вселенная – но у экстраполяции есть свои ограничения.

Однако, если бы всё было именно так, и Вселенная в прошлом имела сколь угодно высокие температуры, у такого состояния было бы несколько явных признаков, которые можно было бы наблюдать и сегодня. В остаточном свечении Большого взрыва были бы температурные флуктуации огромных амплитуд. Видимые нами флуктуации были бы ограничены скоростью света, они появлялись бы только на масштабах, не больших космического горизонта . Должны были остаться реликты космоса высоких энергий, такие, как магнитные монополи.

И всё же, флуктуации температуры не превышают 1/30 000, что в тысячи раз меньше, чем предсказывает сингулярный Большой взрыв. Флуктуации, превышающие горизонт, существуют, что надёжно подтверждено спутниками WMAP и Планк. А ограничения на существование магнитных монополей и других реликтов сверхвысоких энергий чрезвычайно сильны. Отсутствие признаков их наличия имеет серьёзные последствия: во Вселенной никогда не было сколь угодно высоких температур.

Флуктуации реликтового излучения настолько малы и настолько характерны, что из них определённо следует тот факт, что в начале Вселенной повсюду была одна и та же температура. Размер флуктуаций в 1/30 000 совершенно не соответствует Большому взрыву произвольной температуры.

Должна быть какая-то граница. Мы не можем экстраполировать назад сколь угодно далеко, к горячему и плотному состоянию со сколь угодно большой температурой. Есть ограничение на то, как далеко мы можем зайти, и при этом правильно описать нашу Вселенную. В начале 1980-х появилась теория, по которой до того, как наша Вселенная была горячей, плотной, расширяющейся, охлаждающейся, и заполненной материей и излучением, она испытывала состояние инфляции. Наличие фазы космической инфляции должно было означать, что Вселенная:

• была заполнена присущей пространству энергией,
• что привело к быстрому, экспоненциальному росту,
• который растянул Вселенную до плоского состояния,
• придал ей одинаковые повсюду свойства,
• с квантовыми флуктуациями небольшой амплитуды,
• растянувшимися на все масштабы (даже превышающие горизонт),
• а затем инфляция закончилась.

Инфляция заставляет пространство экспоненциально расширяться, что может довольно быстро привести к тому, что изначально искривлённое или негладкое пространство покажется плоским. Если даже Вселенная искривлена, радиус её кривизны как минимум в сотни раз больше того, что мы можем обнаружить.

Когда инфляция заканчивается, она превращает энергию, присущую до этого самому пространству, в материю и излучение, что и порождает горячий Большой взрыв. Но это не приводит ко сколь угодно горячему Большому взрыву – только к такому, который достигает максимальной температуры в сотни раз меньшей, чем температура, способная породить сингулярность. Иначе говоря, она приводит к горячему Большому взрыву, возникающему из инфляционного состояния, а не из сингулярности.

Информация, существующая в нашей наблюдаемой части Вселенной, которую мы можем измерить, благодаря наличию к ней доступа, соответствует лишь последним 10 -33 секундам инфляции, и всему, что случилось после этого. Если вы захотите спросить, как долго длилась инфляция – мы не имеем понятия на это счёт. Она продолжалась, по крайней мере, немного дольше 10 -33 секунд, но продолжалась ли она немного дольше этого, сильно дольше, или шла бесконечное количество времени – это не просто неизвестно, это в принципе нельзя узнать.

Космическая история известной Вселенной показывает, что происхождением всей материи и всего света внутри неё мы обязаны окончанию инфляции и началу горячего Большого взрыва. С тех пор 13,8 млрд лет шла космическая эволюция. Такую картину развития подтверждают большинство источников.

Что же породило инфляцию? На эту тему ведётся множество исследований и рассуждений, однако никто этого не знает. Не существует свидетельств, на которые можно было бы опереться, никаких наблюдений, которые можно было бы сделать, никаких экспериментов, которые можно было бы провести. Некоторые люди делают ошибочные заявления вроде:

У нас была теория сингулярности Большого взрыва, породившей горячую, плотную, расширяющуюся Вселенную, до того, как мы узнали об инфляции; инфляция представляет собой просто промежуточный этап. Поэтому, у нас получается следующее: сингулярность, инфляция, горячий Большой взрыв.

Есть множество графиков и картинок, созданных ведущими космологами, иллюстрирующих данный сценарий. Но это не означает, что он верен.

Иллюстрация флуктуаций плотности (скаляр) и гравитационных волн (тензор), появившихся по окончанию инфляции. Предположение о существовании сингулярности до инфляции не обязательно будет верным.

Есть очень серьёзные основания полагать, что это не так! Мы можем математически продемонстрировать невозможность появления инфляционного состояния из сингулярности. И вот, почему: пространство во время инфляции расширяется с экспоненциальной скоростью. Представьте себе, как работает экспонента: по прошествии определённого количества времени Вселенная удваивает размер. Пройдёт в два раза больше времени, она удвоится два раза, то есть станет в четыре раза больше. Подождите три таких промежутка времени, и она удвоится три раза, то есть станет в 8 раз больше. Подождите 10 или 100 таких отрезков времени, и эти удвоения сделают Вселенную в 2 10 или 2 100 раз больше.

Что означает, что если мы пойдём назад в прошлое на тот же отрезок времени, или в два, или в три, или в 10 или в 100 раз больший, Вселенная будет всё меньше и меньше, но никогда не достигнет нуля. Она, соответственно, будет составлять половину, четверть, 1/8, 2 -10 , 2 -100 от первоначального размера. Но не важно, как далеко во времени мы зайдём, мы никогда не придём к сингулярности.

Синяя и красная линия – традиционный сценарий Большого взрыва, когда всё начинается в момент времени t=0, включая и само пространство-время. В инфляционном сценарии (жёлтый) мы никогда не приходим к сингулярности, в которой пространство принимает сингулярное состояние. Оно может стать сколько угодно малым в прошлом, а время продолжается бесконечно. Определить длительность этого состояния пытаются условие отсутствия границ Хокинга-Хартла и теорема Борда-Гута-Виленкина , но их нельзя назвать окончательными.

Среди космологов хорошо известна теорема , демонстрирующая неполноту прошлого инфляционного состояния. Это означает, что все частицы, существующие во Вселенной, испытывающей инфляцию, рано или поздно встретятся при экстраполяции назад по времени. Это, однако, не означает, что сингулярность обязательно существовала – просто инфляция не описывает всё, что происходило в истории Вселенной, например, её рождение. Нам также известно, что инфляция не может появиться из сингулярного состояния, поскольку испытывающий инфляцию участок всегда должен начинать с конечного размера.

Флуктуации пространства-времени на квантовом масштабе во время инфляции растягиваются по всей Вселенной, и порождают несовершенства в плотности и гравитационных волнах. Возникла ли инфляция из сингулярности, или нет, нам неизвестно.

Каждый раз, когда вы видите диаграмму, статью или историю о «сингулярности большого взрыва» или ещё какой-то сингулярности, существовавшей до инфляции, знайте, что вы имеете дело с устаревшим мышлением. Идея о сингулярности Большого взрыва потеряла актуальность, как только мы поняли, что перед горячим и плотным состоянием Большого взрыва существовало другое состояние – космическая инфляция – которое подготовило и запустило Большой взрыв. В самом начале пространства и времени, возможно, могла существовать сингулярность, из которой появилась инфляция – но гарантий этого нет. В науке есть вещи, которые можно проверить, измерить, предсказать, подтвердить или опровергнуть – например, инфляция, породившая горячий Большой взрыв. Всё остальное – не более чем досужие домыслы.

И это – последний на Хабре перевод статьи Итана Сигеля (и в принципе статьи на тему космологии), поскольку тематику ресурса было решено сконцентрировать на разработке и IT.

Теги: Добавить метки

Новый этап в развитии современной космологии наступил после работ Фридмана (1922 г.).

Используя релятивистскую теорию тяготения Эйнштейна, он получил математическую модель движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое, т.е. Вселенная нестационарная: она должна либо сжиматься, либо расширяться. Из теории Фридмана следует, что наша Вселенная возникла из состояния космологической сингулярности.

В 1948 г. Гамов, Альфер и Херман предложили вариант возникновения горячей Вселенной как результат "Большого Взрыва" вещества.

Основная идея гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы процессы протекания термоядерных реакций в самом начале расширения Вселенной после взрыва и по мере дальнейшей ее эволюции привели к наблюдаемому в космосе в настоящее время соотношению между количеством различных химических элементов и их изотопов.

Наблюдения за различными объектами Вселенной: горячими звездами, большими газовыми туманностями, гигантскими молекулярными облаками, Солнцем, космическими лучами, квазарами, галактиками и т. д. показазали, что в них, по массе, обнаруживается 25  27% гелия, 70  72% водорода и малая примесь остальных химических элементов, доля которых меняется от объекта к объекту, а содержание гелия и водорода постоянно.

Но до образования небесных тел (галактик, звезд и т.д.) вещество Вселенной однородно (все четыре силовых взаимодействий представляет одно "суперобъединение" при температуре T10 32 К) и ни каких перепадов давления не имелось, следовательно, не было и силы, в результате которой и началось стремительное расширение. Особую роль при этом сыграл физический вакуум. Причем он в зависимости от условий может быть разным.

В нем вместе с плотностью энергии (из-за взаимодействия виртуальных частиц) одновременно возникают натяжения (подобно силам натяжения, возникающим при растяжении, например металлического стержня). Эти натяжения эквивалентны отрицательному давлению, т.е. как бы возникает отрицательное давление. В обычных средах натяжения и давления составляют малую долю полной плотности энергии. В физическом вакууме отрицательное давление огромно и по абсолютной величине равно плотности энергии. По мере расширения Вселенной (происходит понижение температуры) симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием нарушается. Как известно, слабое взаимодействие связывают с наличием особых зарядов (отличных от электрических зарядов, между которыми осуществляется электромагнитное взаимодействие с помощью фотонов) и это взаимодействие происходит на очень малых расстояниях.

Это связано, прежде всего, с большой массой переносчиков слабого взаимодействия W + , W  и Z o - бозонов. Однако при температуре выше T10 15 К, как показывает расчет, существует единое электрослабое взаимодействие между частицами.

Его переносчики W + , W  и Z o - бозоны и -фотоны имеются в изобилии и не обладают массой. Нет массы у кварков и лептонов.Спустя несколько минут после расширения Вселенной температура упала до 10 9 К.

При таких температурах уже стало возможным соединение протонов и нейтронов с образованием ядер дейтерия, которые в результате термоядерных реакций приводили к образованию ядер атомов гелия.

Но из-за продолжающегося расширения Вселенной и снижения температуры термоядерные реакции ранней Вселенной прекращались.

За 5 минут успело образоваться около 25% гелия, а 75% составлял водород. Действительно многочисленные наблюдения показали, что первое поколение звезд во Вселенной имело именно такой процентный состав.

Ядра атомов более тяжелых элементов появились во Вселенной много миллиардов лет позже в результате ядерных реакций в недрах звезд. Все активные процессы с участием элементарных частиц закончились, и наступил длительный период относительно спокойного расширения Вселенной.

Расширяющееся вещество представляло собой высокотемпературную, ионизированную плазму, не прозрачную для излучения фотонов, которое и определяло в тот момент силу давления.

В этой смеси плазмы и излучения имелись небольшие колебания плотности вещества - звуковые волны. По истечении 310 5 лет фотонной эры, за счет продолжающегося расширения Вселенной, плазма остыла до 410 3 К и превратилась в нейтральный газ в процессе захвата ядрами атомов свободных электронов. Этот газ стал прозрачным для фотонов, которые получили (открыты в 1965 г.) название реликтового излучения. В настоящее время энергия реликтовых фотонов уменьшилась, а температура фотонного излучения составляет всего 3  5 К. Реликтовое излучение представляет собой слабый радиошум, приходящий из космоса независимо от направления приемной антенны. Число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом 1 см 3 Вселенной, 500, а их плотность энергии 510  13 эрг/cм 3 . Из-за отсутствия давления излучения упругость нейтрального газа резко упала и стало возможным проявление гравитационной неустойчивости, которая привела к образованию достаточно больших по размеру сгущений газа. Вследствие уплотнения звуковых колебаний при распространении их в этих комках газа, силы тяготения начинают увеличиваться, что и приводит к образованию массивных облаков, эволюционирующих в дальнейшем в сверхскопления галактик, скопления галактик и галактики.

Все что наблюдается сегодня в космосе  проявление космологической сингулярности.

В настоящее время считается, что никакого предварительного сжатия перед космологической сингулярностью не было, она стала истоком времени, а сингулярность внутри черной дыры является концом ручейков реки времени. Поэтому в космологической сингулярности время и пространство так же распадаются на кванты. В связи с этим теряет смысл сам вопрос, а что было еще раньше? Можно только отметить, что вблизи сингулярности в масштабах квантов времени и пространства, существовала "пена" этих квантов, т.е. наблюдались квантовые флуктуации пространства и времени. В это время рождаются и тут же исчезают небольшие "виртуальные" замкнутые миры и виртуальные черные, и белые дыры.

Столь малые размеры при больших энергиях кипящей "пены", обусловили возможность существования не трех, а более измерений. Однако эти дополнительные измерения остаются скрученными и не реализуются, а остаются только три пространственных измерения, которые при расширении вещества приводят к современному состоянию Вселенной.

Следовательно, время в сингулярности в корне меняет свои квантовые свойства и начало расширения Вселенной является истоком нашего непрерывного потока времени, которое течет в одном направлении: от прошлого к будущему. Известно, что космологическая сингулярность произошла 15  20 млрд. лет назад. За это время, свет вышедший из какого-либо источника даже в момент начала расширения, успеет пройти конечное расстояние во Вселенной 1520 млрд. световых лет или около 610 15 пк. Поэтому точки пространства Вселенной, лежащие от нас на таких расстояниях, называют горизонтом видимости. Те области пространства, которые лежат за горизонтом видимости, сегодня принципиально не наблюдаемы, а вблизи горизонта видимости мы можем наблюдать вещество из далекого прошлого.

Из-за эффекта Доплера красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект приближается к горизонту видимости. А на самом горизонте - оно бесконечно, поэтому мы можем видеть лишь конечное число звезд и галактик во Вселенной. В связи с этим решается парадокс классической космологии: фотометрический, который заключается в следующем. Так как Вселенная бесконечна, она заполнена бесконечным числом звезд и луч зрения рано или поздно встретит светящуюся звезду. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца или поверхность других звезд. В действительности из-за наличия горизонта видимости мы видим конечное число звезд, которые редко разбросаны в пространстве. Наше ночное небо представляется темным: в нем видны хаотично разбросанные светящиеся точки звезд. Подтверждением горячего начала возникновения нашей Вселенной являются результаты наблюдений за объектами космического пространства. К ним относятся, например, наличие реликтового излучения, наличие 25  30% гелия в составе до звездного вещества ранней Вселенной.

Характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. Космологическая сингулярность является одним из примеров гравитационных сингулярностей , предсказываемых общей теорией относительности (ОТО) и некоторыми другими теориями гравитации .

Возникновение этой сингулярности при продолжении назад во времени любого решения ОТО , описывающего динамику расширения Вселенной , было строго доказано в 1967 году Стивеном Хокингом . Также он писал:

«Результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики».

Например, не могут быть одновременно бесконечными плотность и температура, т. к. при бесконечной плотности мера хаоса стремится к нулю, что не может совмещаться с бесконечной температурой. Проблема существования космологической сингулярности является одной из наиболее серьёзных проблем физической космологии. Дело в том, что никакие наши сведения о том, что произошло после Большого Взрыва, не могут дать нам никакой информации о том, что происходило до этого.

Попытки решения проблемы существования этой сингулярности идут в нескольких направлениях: во-первых, считается, что квантовая гравитация даст описание динамики гравитационного поля, свободного от сингулярностей , во-вторых, есть мнение, что учёт квантовых эффектов в негравитационных полях может нарушить условие энергодоминантности, на котором базируется доказательство Хокинга , в-третьих, предлагаются такие модифицированные теории гравитации , в которых сингулярность не возникает, так как предельно сжатое вещество начинает расталкиваться гравитационными силами (так называемое гравитационное отталкивание), а не притягиваться друг к другу.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Кларк, Джон Д.
• Ричард Тайлер

Смотреть что такое "Космологическая сингулярность" в других словарях:

Сингулярность - В Викисловаре есть статья «сингулярность» Сингулярность от лат. … Википедия

СИНГУЛЯРНОСТЬ КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ - (от лат. singularis отдельный … Физическая энциклопедия

СИНГУЛЯРНОСТЬ - космологическая (от лат. singularis отдельный, особый), состояние Вселенной в определённый момент времени в прошлом, когда плотн. энергии материи и кривизна пространства времени были очень высоки (физ. С.) или даже бесконечны (матем. С.). Это… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Гравитационная сингулярность - У этого термина существуют и другие значения, см. Сингулярность. Гравитационная сингулярность (иногда сингулярность пространства времени) точка (или подмножество) в пространстве времени, через которую невозможно гладко продолжить входящую в … Википедия

Космологические модели - Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия

Большой взрыв - по современным представлениям, состояние расширяющейся Вселенной в прошлом (около 13 млрд. лет назад), когда средняя плотность Вселенной в огромное число раз превышала современную. Из за расширения средняя плотность Вселенной убывает с течением… … Энциклопедический словарь

Модель Вселенной - современная Основные качественные выводы, следующие из анализа фридмановской модели (см. Модели Вселенной): Вселенная нестационарна (она расширяется), плотности энергии вещества, и излучения монотонно падают с течением времени; в прошлом… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ Современная энциклопедия

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ - по современным представлениям состояние расширяющейся Вселенной в прошлом (ок. 13 млрд. лет назад), когда средняя плотность Вселенной в огромное число раз превышала современную. Из за расширения средняя плотность Вселенной убывает с течением… … Большой Энциклопедический словарь

Большой взрыв - БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ, по современным представлениям, состояние расширяющейся Вселенной в прошлом (около 13 млрд. лет назад), когда ее средняя плотность в огромное число раз превышала нынешнюю. Из за расширения средняя плотность Вселенной убывает с… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

На сегодняшний момент вопрос о том, что такое сингулярность, волнует не только людей, интересующихся наукой, но и лучших ученых мира. Этот термин нам встречается в математике, физике, астрономии, космологии и прочих точных науках. Его трактовка немного варьируется, но принцип остается прежним. Потому сейчас мы поочередно рассмотрим, что такое сингулярность с различных точек зрения, и выясним, чем так интересно для исследователей это загадочное явление.

Общая трактовка термина

Перед тем как мы начнем углубляться в тайны Вселенной, обратимся к истории мироздания. Самой правильной на нынешней момент версией возникновения мира является теория Большого взрыва. В момент зарождения всего того, что нас окружает, была лишь одна-единственная точка сингулярности. Ее размеры точно неизвестны, но для понимания ученые часто сравнивают ее с горошиной. При этом не стоит думать, что этот мини-шарик можно было бы удержать в руке. Его масса равнялась массе всех звезд и галактик, которые сегодня есть в космосе. Более того, температура этой горошины просто зашкаливала, а сила гравитации в ней была выше, чем у ныне существующих черных дыр. Иными словами, точка сингулярности - это единица пространства-времени, в которой заключалась вся материя, наполняющая нашу Вселенную.

Как появилось время?

Непременно стоит выделить, что под термином «материя» подразумевается не только космическое пространство, состоящее из миллиардов астрономических единиц, но и все временные отрезки. Да, представить себе это сложно, но чтобы понять, что такое сингулярность, нужно представить себе время как пространственное измерение, в котором можно перемещаться как вперед, так и назад. Все это неразрывно связано с кривизной пространства, о которой мы поговорим ниже. Ученым также неизвестно, в течение какого времени по земным меркам существовала эта горошина. Парадоксально то, что в таком сжатом состоянии в любом измерении бесконечность равна нулю. Позже точка сингулярности стала расти, температура в ней падала, частицы отталкивались друг от друга. Так время отделилось от остальных измерений и перестало быть пространственной единицей. Потому сегодня оно может идти только вперед.

Космологические понятия

Как известно, наука космология занимается изучением эволюции Вселенной. Тут рассматриваются все так называемые эпохи, которые последовали после Большого взрыва. Именно в соответствии с этой теорией ученые выдвинули гипотезу о том, что Вселенная возникла из сингулярности. При этом период существования последней установить невозможно. Исходя из этого, до сих пор тщательно прорабатываются две наиболее правдоподобные версии. Первая заключается в том, что наш мир статичен. Большой взрыв произошел в определенный момент, когда все частицы, находящиеся в состоянии бесконечного сжатия, резко оттолкнулись друг от друга. Кроме того, сингулярность Вселенной до момента взрыва характеризовалась наличием материи и антиматерии. В наши дни ученые не обнаружили ни единой античастицы. Вторая версия строится на том, что Большой взрыв - это настоящее космоса. Установлено, что галактики постоянно удаляются друг от друга, следовательно, процесс расширения мира продолжается по сей день.

Сингулярность в космологии

В эволюции космоса, как это ни странно, нет места действующим на Земле физическим формулам и законам. Это явление наглядно нам демонстрирует космологическая сингулярность. Конечно же, на практике выяснить, в каком состоянии в момент зарождения мира пребывала материя, невозможно, но теоретически ученые высчитали парадоксальные закономерности. Первое - кривизна пространства-времени. Это означает, что проложить ровную геодезическую линию или угол в сфере сингулярности невозможно. Второе - это, как мы уже говорили, совсем иное время. Тут можно попасть в любую точку на временном отрезке. Космологическая сингулярность, по мнению ученых, - точка отсчета, которая именуется Большим взрывом. В этот период плотность и температура вещества близились к бесконечным. Одновременно мера хаоса стремилась к нулю, умножая на себя две предыдущие единицы. С точки зрения земной физики температура и плотность не могут одновременно пребывать в бесконечном состоянии. И это лишь один из множества парадоксов, которые ученые так и не могут разгадать.

Старая и новая теория

Много лет назад Альберт Эйнштейн подарил миру знаменитую теорию относительности, которую ныне называют теорией гравитации. Благодаря ей мы сегодня описываем все явления в пространстве и времени, которые нас окружают. В соответствии с теорией физические объекты не могут обладать сингулярностью. То есть на практике никакое вещество или материя не могут иметь массу, плотность или температуру, равную бесконечности. А вот математика слывет как теоретическая наука, потому в ней есть место функциям с бесконечными значениями. Накладывая одну область знаний на другую, мы получаем примерные расчеты того, что могло происходить в момент Большого взрыва. Это, как уже говорилось, точки с бесконечными физическими величинами. Такое явление получило название физическая или космическая сингулярность. Но ее законы несопоставимы с теорией относительности. Объяснить такое явление может новая теория квантовой гравитации. Это где изучается поведение света, его свойства и значимость во Вселенной. Самой теории еще не существует, но имеются определенные расчеты и предпосылки, которые могут стать ее основой.

Разгадываем тайны гравитации

В астрофизике существует такое понятие, как скорость убегания. Оно используется для того, чтобы определить степень разгона, с которой определенный объект сможет сопротивляться К примеру, ракета с учетом ее массы должна двигаться со скоростью около 12 км/с, чтобы покинуть атмосферу Земли. Но если бы наша планета имела диаметр не 12 742 километра, а один сантиметр, то для преодоления поля притяжения нужно было бы двигаться со скоростью большей, чем В таком случае Землю окружала бы не привычная нам сила тяготения, а гравитационная сингулярность. Конечно же, все так как если наша планета примет подобные размеры, она превратится в черную дыру. Но такой опыт дает возможность понять, каково значение гравитации во Вселенной.

От чего зависит сила тяготения?

Чем ближе атомы располагаются друг к другу, тем плотнее вещество. Если молекулы как-либо взаимодействуют между собой, то происходит процесс нагревания, следовательно, температура этого вещества повышается. В земных условиях такие процессы происходят в определенных рамках, потому мы давно изобрели формулы, позволяющие рассчитать поведение любого химического элемента. Все потому, что сила земного притяжения не дает частицам сближаться меньше, чем на определенное расстояние, и отдаляться более, чем на конкретную величину. В открытом космосе, где наблюдаются пустоши между галактиками, пространство особенно разряжено, это называется вакуумом. Тут гравитации нет в принципе, потому малое количество материи пребывает в хаосе. Возле очень плотных объектов (гигантские голубые звезды, квазары, а также черные дыры) сила притяжения поднимается до нереальных для нас, землян, величин. Частицы тут расположены настолько близко друг к другу, что образуется явление, которое называется "гравитационная сингулярность". Это та самая основа, влияющая на искажение пространства и степень кривизны.

Гравитация и поведение материи

В область сингулярности материя не засасывается. Туда притягивается только космический ветер и микроскопические частицы. Но человек чисто теоретически может по доброй воле отправиться в такие области. Они располагаются в квазарах и в черных дырах и, увы, для живых существ являются смертоносными с точки зрения биологии. Попадая в область большой приливной силы, тело начнет растягиваться как вдоль, так и поперек. В результате очертания человека окутают сферу и будут вращаться в ней. Теоретически, если глаза еще будут видеть и передавать сигнал в одновременно сможет лицезреть все свои части тела, включая лицо, которое будет вращаться перед ним, превышая скорость света. Понятно, что в таком виде человеческое тело существовать не может, но ведь это касается земной физики. Однако подобный пример дает нам возможность представить, что такое сингулярность с практической точки зрения. Было бы интересно предположить, что мы как биологический вид сможем принять эти новые физические законы и существовать в таких формах, образуя новые миры для себя.

Течение времени

О том, что такое время, можно спорить вечно. Сегодня его определяют как процесс прохождения физиологических, физических и психических процессов для живых организмов и материи нашего мира. Но свойства времени, его скрытые возможности так и не изучены. Мы воспринимаем его как нечто субъективное, и это тщательно можно отследить, вспоминая свои прошедшие годы. Когда мы проживали первый год жизни, этот отрезок для нас был равен 100 процентам. Он был единственным, что у нас есть, всей жизнью и опытом. На второй свой день рождения один год уже стал 50 процентами, на третий - лишь третью. К 80-летнему возрасту один год уже был лишь 1/80 частицей жизни и ничего практически не значил. Так случалось потому, что в течение первого года все, что мы видели, было новым. В дальнейшем нам попадались уже все более и более привычные вещи и явления. Потому и казалось, что детство тянется невероятно долго, а зрелые годы пролетают моментально. Это наглядный пример того, как восприятие одного человека искажает течение времени. А что же будет, если взглянуть на этот термин с астрономической точки зрения?

Время в начале времен

Это было небольшое отступление, которое дало возможность понять все то, что мы видим. Находясь запертыми в рамках физики и, более того, своего собственного восприятия, нам сложно представить, что мир был и может быть совсем другим. Так вот, сингулярность времени имела такое же место в космологии, как и сингулярность пространства. Сейчас для преодоления отрезка в 1 километр со скоростью 5 км/ч потребуется 0,2 часа. Чтобы долететь от Земли до Сатурна, необходимо затратить несколько лет. Но как быть с временем, если все расстояние, которое имеется в мире, равно 1 сантиметру? Умножая столь ничтожные параметры на бесконечно большую плотность и массу, мы получаем кривизну пространства-времени. Это означает, что в момент, когда Вселенная была сингулярной, могло происходить все то, что мы видим сейчас. События, возможно, перемешивались, невероятно искажались и сопоставлялись. Проще выражаясь, любой материальный объект мог заглянуть как в прошлое Земли или другой планеты, так и в ее будущее.

Технологии и вступление в новую эру

Существует и так называемая теория сингулярности, согласно которой наша планета скоро превратится в большой биотехнический интеллект. По мнению исследователей, к середине 21-го века будет создан компьютер, возможности которого превзойдут возможности мозга. Искусственный разум, естественно, возьмет верх над менее развитыми существами. В этот момент наступит Такое название было придумано потому, что неизвестно, чем такой прогрессивный скачок в области науки закончится и удастся ли выжить человечеству.

Червоточины

Сингулярность черной дыры, из которой, собственно, и состоит этот космический объект, - одна из самых больших загадок мира. Сама кротовая нора на самом деле выглядит не как яма с воронкой и узким тоннелем, а как сфера, образованная гигантской силой гравитации. О черных дырах мы уже говорили выше, определяя их как смертоносные объекты во Вселенной. Сила их сжатия невероятно велика, потому на горизонте событий искривляется пространство и останавливается время. Сингулярность черной дыры сравнима с теорией Большого взрыва. Досконально не изучено, но считается, что сила сжатия внутри червоточины такая же, как в момент зарождения мира. Вот почему бытует теория о том, что черные дыры - это эволюция новых Вселенных, которые существуют параллельно с нашей.

Приложение, объясняющее часть теории

В общих чертах теорию и бесконечной плотности дает понять игра «Сингулярность». Прохождение миссии связано с перемещением в пространстве и времени, где эти два понятия едины. Герой передвигается между 1950 годом и 2010-м, исправляя ошибки советских ученых и спасая современных каторжников, заключенных на острове, окруженном радиацией. Если погрузиться в этот мир, то постепенно можно понять, что значит время в пространственном измерении.

Подведение итогов

Изучение всех тайн космоса, которые касаются гравитации, дает возможность понять, что теория относительности нас предельно ограничивает. Конечно же, это невероятная находка для земных условий, но если речь идет об изучении иных пространств, то стоит отбросить все стереотипы. Такое понятие, как "сингулярность", переворачивает восприятие звука, световых импульсов, кривизны пространства и длительности времени. Но встречается оно пока что только в математической теории, а в физической практике не находит себе объяснения. Наиболее детально ныне исследуется сингулярность черной дыры, но считается, что эта область хоть и сжата до бесконечности, это не самая сколлапсированная точка Вселенной.

Сингулярность

Уравнения современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и описать изменение её физических параметров в процессе расширения. Однако теория, однозначно определяющая поведение Вселенной на начальной стадии, не выработана.

В модели изотропной Вселенной выделяется особое начальное состояние - сингулярность. Это состояние характеризуется огромной плотностью материи и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение. В этом состоянии нарушаются классические законы физики, что заставляет физиков искать непротиворечивые модели, о которых будет сказано ниже.

Картина вблизи сингулярности следующая. В условиях высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но и даже атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь различных элементарных частиц.

Квантовая теория гравитации

Как уже указывалось выше, сингулярность является «камнем преткновения» для классических законов механики, термодинамики и гравитации. Они теряют свой физический смысл в точке сингулярности. Особое положение в связи с этим занимает квантовая механика. Как известно, она полностью абстрагирована от таких понятий как координата и скорость и может успешно описывать поведение объектов через энергетические характеристики: массу и энергию. Поэтому многие учёные надеются получить непротиворечивое описание ранней стадии эволюции Вселенной с помощью теории квантовой гравитации. «Наука пока не располагает полной и согласованной теорией, объединяющей квантовую механику и гравитацию, - пишет в одной из своих работ Стивен Хокинг, - но возможность описания процессов лишь только с помощью квантовой механики приводит к революционным выводам»:

1. В связи с тем, что состояние Вселенной описывается лишь только её квантово-механическими характеристиками, а оно имеет вероятностный характер, то полностью отпадает такая характеристика нашего бытия, как время.

2. Для квантово-механического состояния характерно то, что прошедшее не является причиной настоящего, а настоящее не является причиной будущего в строгом смысле этого слова. Следовательно, можно сказать, что «даже если бы перед Большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, т.к. в точке сингулярности детерминированность событий равна нулю из-за квантово-механических процессов».

Причина мира, как мы видим, по-прежнему является для науки вопросом открытым.

Альтернативные модели Вселенной

Состояние сингулярности, с которого начиналась история Вселенной, может являться весомым аргументом в пользу творения мира. Наука в настоящее время не способна дать ответ на вопрос о том, что было в момент большого взрыва, или даже чуть раньше. «Белые пятна» в этой области теоретической физики, вынуждают ученых разрабатывать различные модели Вселенной, в которых сингулярность не является препятствием для классических законов физики. Ниже мы рассмотрим наиболее значительные из них.

Модель Германа Бонди и Томаса Голда

В 1948 г. Герман Бонди и Томас Голд предложили модель стационарной Вселенной. В её основе лежит идеальный космологический принцип: «не существует не только привилегированного места во Вселенной, но и привилегированного момента времени». Поэтому в любое время во всех точках пространства усредненные температура и плотность Вселенной будут иметь одни и те же значения. Такая Вселенная характеризуется экспоненциальным расширением, компенсируемым перманентным рождением вещества. «Синхронность расширения Вселенной и рождения вещества поддерживает постоянство плотности материи-энергии и тем самым приводит к представлению вечной Вселенной, находящейся в состоянии непрерывного рождения вещества».

Модификация теории относительности действительно «позволяет» 1 км3 Вселенной за 1 год творить одну частицу. Это не противоречит экспериментальным данным, но, как замечает Хокинг, такой «производительности» катастрофически мало для "творения" новых галактик. В связи с тем, что между расширением Вселенной и рождением вещества отсутствует «тонкая связь», данная гипотеза является спорной.

Модель Алана Гута

Позднее американский физик Алан Гут предложил модель, в которой Вселенная имела температуру ниже критической для Большого взрыва без нарушения симметрии сил. Это состояние можно сравнить с переохлаждённой водой, когда она при охлаждении определённым образом, не замерзает и при отрицательной температуре. Вселенная в таком состоянии нестабильна и имеет дополнительную энергию, антигравитационное действие которой аналогично действию л-члена в уравнении стационарной Вселенной. Согласно этой модели, даже в местах, где Вселенная была слишком плотной, взаимное притяжение её частей было слабее отталкивания, что повлияло на характер расширения Вселенной. Все неоднородности при этом могли просто сгладиться, как сглаживаются морщины при раздувании резинового шарика. Гут пришёл к следующему выводу: «Нынешнее гладкое однородное состояние могло развиться из большого числа неоднородностей». Стивен Хокинг не согласен с выводом Гута: «Вселенная расширялась так быстро, что предложенная модель фазового перехода не смогла бы существовать без нарушения симметрии сил». Более того, изотропность реликтового фона свидетельствует о том, что в «…прошлом Вселенная была ещё более однородна».

Модель Линде

В 1983 г. известный космолог Андрей Линде предложил хаотическую модель раздувания. Согласно этой модели Вселенная эволюционировала без фазового перехода и переохлаждения, но под воздействием бесспинового поля. Квантовые флуктуации этого поля в некоторых областях ранней Вселенной возрастали, в результате частицы начали расталкиваться. Энергия поля стала медленно уменьшаться, пока раздувание не перешло в такое же расширение, как в модели «горячей Вселенной». «Одна из областей, - отмечает Линде, - может превратиться в наблюдаемую нами Вселенную». Модель Линде показала, что «современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа начальных конфигураций, но не из всякого начального состояния могла появиться такая Вселенная как наша».

Модель раздувания оставляет вопрос о начальных условиях возникновения Вселенной открытым.

Модель Хокинга

Стивен Хокинг стоит особо в ряду физиков-теоретиков. Главным для него является найти подходящую непротиворечивую математическую модель мира. Поэтому он сильно увлёчен введением математических переменных, функций, которые не являются отражением реальности, а лишь служат для упрощения математического аппарата поставленной им теории. Для упрощения математического аппарата им могут быть использованы переход из одной системы координат в другую и неподкреплённая никакими реальными физическими процессами замена действительного времени мнимым.

Хокинг считает, что сингулярность лишает модель Большого взрыва предсказательной силы, т.к. в момент сингулярности нарушаются законы физики и «...из Большого взрыва могло появиться что угодно». Поскольку квантовая теория утверждает, что «может произойти всё, что угодно, если только это не запрещено абсолютно», то Хокинг привлекает во всей полноте математический аппарат и методы квантовой теории. Он вводит понятие волновой функции Вселенной. Необходимость интегрирования требует введения особых граничных условий. Хокинг их вводит: «Граничное условие для Вселенной в том, что у неё нет границ». В его модели Вселенная не имеет границ и замкнута. Хокинг приводит следующий пример: если мы пойдём вдоль экватора, то вернёмся в ту же точку, не достигнув края (границы) Земли, и никто не будет спорить, что Земля ограничена. Хокинг считает, что «предположение об отсутствии границ может объяснить всю структуру Вселенной, включая маленькие неоднородности вроде нас самих».

Вселенная Хокинга не испытывает никаких сингулярностей. Более того, «положение об отсутствии границ превращает космологию в науку, поскольку позволяет предсказать результат любого эксперимента». В этой модели Вселенная рождается из ничего в буквальном смысле, и для этого не требуется существования вакуума.

Хокинг отмечает, что даже если «квантовая теория восстанавливает предсказуемость, потерянную классической теорией, она это делает не полностью». Для Хокинга важно, не то, что его теория не отражает реальность, а то, что эта теория имеет предсказательную силу: «Я не требую, чтобы теория соответствовала реальности, поскольку я не знаю, как она устроена. Реальность не является величиной, которую можно проверить с помощью лакмусовой бумажки. Всё это я связываю с тем, что теория должна предсказывать результаты измерений».

Однако сам Хокинг соглашается, что его квантовая модель «не описывает Вселенную, в которой мы живём, которая заполнена материей...», и для построения более «реалистической модели» опускает ранее привлекавшийся для объяснения космологический член и «включает» поля материи: «…похоже, что нужно иметь во Вселенной скалярное поле с потенциалом V()», которое лишь при определённых условиях эквивалентно космологическому члену.

На наш взгляд, модель Хокинга является отражением мировоззрения автора. Для того, чтобы получить спонтанное, хаотичное рождение Вселенной, Хокинг накладывает на Вселенную условие отсутствия границ. Его Вселенная не нуждается в Творце, не нуждается во внешней причине, она существует только потому, что она не может не быть в силу собственной необходимости.

Илья Пригожин считает, что введение Хокингом мнимого времени вместо реального искажает картину реальности: «Предложение Хокинга (о мнимом времени - В.Р.) выходит за рамки теории относительности, но в действительности представляет собой ещё одну попытку отрицать реальность времени, описывая нашу Вселенную как статичную геометрическую структуру…».

Мы считаем, что безупречное применение математического аппарата может подтвердить любую теорию и какую угодно модель, однако мир, наделённый характеристиками вечного бытия, не может отражать ту реальность, в которой мы живём.

Космологическая модель Пригожина

Лауреат Нобелевской премии за достижения в области неравновесных процессов Илья Пригожин предложил свое понимание происхождения Вселенной. Он считает, что Вселенная возникла из «квантового вакуума» вследствие необратимого фазового перехода. Он утверждает, что Вселенная начала быть во времени, т.е. время вечно, а мир, наша Вселенная существует определённое время. Модель сотворения мира «из ничего» названа им «бесплатным завтраком», и является несостоятельной, поскольку «...вакуум уже наделен универсальными постоянными». Поэтому в его модели Вселенная возникает, формируется из чего-то прежде существующего. Творение мира Пригожин называет актом, трансцендентным по отношению к физической реальности.

Само возникновение видимого мира Пригожин связывает не с сингулярностью, а с неустойчивостью квантового вакуума. «Большой взрыв, - считает он, - необратимый процесс». Пригожин считает, «что от Правселенной, которую мы называем квантовым вакуумом, должен был произойти фазовый переход…».

По мнению Пригожина, «Вселенные возникают там, где амплитуды гравитационного поля и поля материи имеют большие значения».

В заключение краткого обзора концепций ученых необходимо отметить, что любое рассуждение о физическом состоянии Вселенной есть лишь плод интеллекта. Здесь наука подходит «...к краю положительного знания в опасной близости к научной фантастике», поскольку невозможно экспериментальное подтверждение теории. Поэтому построение учёным теоретической модели Вселенной всегда является отражением его мировоззрения.