Що це — сингулярність? Точка сингулярності. Сингулярність чорної діри

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 86

На сьогоднішній момент питання про те, що таке сингулярність, хвилює не тільки людей, які цікавляться наукою, але і кращих вчених світу. Цей термін нам зустрічається в математиці, фізиці, астрономії, космології та інших точних науках. Його трактування трохи варіюється, але принцип залишається колишнім. Тому зараз ми почергово розглянемо, що таке сингулярність з різних точок зору, і з’ясуємо, чим так цікаво для дослідників це загадкове явище.

Загальне трактування терміна

Перед тим як ми почнемо заглиблюватися в таємниці Всесвіту, звернемося до історії світобудови. Найбільш правильною на нинішній момент версією виникнення світу є теорія Великого вибуху. У момент зародження всього того, що нас оточує, була лише одна-єдина точка сингулярності. Її розміри точно невідомі, але для розуміння вчені часто порівнюють її з горошиною. При цьому не варто думати, що цю міні-кульку можна було б утримати в руці. Його маса дорівнювала масі всіх зірок і галактик, які сьогодні є в космосі. Більш того, температура цієї горошини просто зашкалювала, а сила гравітації в ній була вище, ніж у нині існуючих чорних дір. Іншими словами, точка сингулярності — це одиниця простору-часу, в якій полягала вся матерія, що наповнює наш Всесвіт.

Як з’явився час?

Неодмінно варто виділити, що під терміном «матерія» мається на увазі не тільки космічний простір, що складається з мільярдів астрономічних одиниць, але і всі тимчасові відрізки. Так, уявити собі це складно, але щоб зрозуміти, що таке сингулярність, потрібно уявити собі час як просторовий вимір, в якому можна переміщатися як вперед, так і назад. Все це нерозривно пов’язане з кривизною простору, про яку ми поговоримо нижче. Вченим також невідомо, протягом якого часу за земними мірками існувала ця горошина. Парадоксально те, що в такому стислому стані в будь-якому вимірі нескінченність дорівнює нулю. Пізніше точка сингулярності стала рости, температура в ній падала, частинки відштовхувалися один від одного. Так час відокремився від інших вимірювань і перестав бути просторовою одиницею. Тому сьогодні воно може йти тільки вперед.

Космологічні поняття

Як відомо, наука космологія займається вивченням еволюції Всесвіту. Тут розглядаються всі так звані епохи, які послідували після Великого вибуху. Саме відповідно до цієї теорії вчені висунули гіпотезу про те, що Всесвіт виник із сингулярності. При цьому період існування останньої встановити неможливо. Виходячи з цього, досі ретельно опрацьовуються дві найбільш правдоподібні версії. Перша полягає в тому, що наш світ статичний. Великий вибух стався в певний момент, коли всі частинки, що знаходяться в стані нескінченного стиснення, різко відштовхнулися один від одного. Крім того, сингулярність Всесвіту до моменту вибуху характеризувалася наявністю матерії та антиматерії. У наші дні вчені не виявили жодної античастинки. Друга версія будується на тому, що Великий вибух — це справжнє космосу. Встановлено, що галактики постійно віддаляються один від одного, отже, процес розширення світу триває донині.

Сингулярність у космології

В еволюції космосу, як це не дивно, немає місця чинним на Землі фізичним формулам і законам. Це явище наочно нам демонструє космологічна сингулярність. Звичайно ж, на практиці з’ясувати, в якому стані в момент зародження світу перебувала матерія, неможливо, але теоретично вчені вирахували парадоксальні закономірності. Перше — кривизна простору-часу. Це означає, що прокласти рівну геодезичну лінію або кут у сфері сингулярності неможливо. Друге — це, як ми вже говорили, зовсім інший час. Тут можна потрапити в будь-яку точку на часовому відрізку. Космологічна сингулярність, на думку вчених, — точка відліку, яку називають Великим вибухом. У цей період щільність і температура речовини наближалися до нескінченних. Одночасно міра хаосу прагнула до нуля, множачи на себе дві попередні одиниці. З точки зору земної фізики температура і щільність не можуть одночасно перебувати в нескінченному стані. І це лише один з багатьох парадоксів, які вчені так і не можуть розгадати.

Стара і нова теорія

Багато років тому Альберт Ейнштейн подарував світу знамениту теорію відносності, яку нині називають теорією гравітації. Завдяки їй ми сьогодні описуємо всі явища в просторі і часу, які нас оточують. Згідно з теорією фізичні об’єкти не можуть мати сингулярність. Тобто на практиці ніяка речовина або матерія не можуть мати масу, щільність або температуру, рівну нескінченності. А ось математика зливе як теоретична наука, тому в ній є місце функціям з нескінченними значеннями. Накладаючи одну область знань на іншу, ми отримуємо приблизні розрахунки того, що могло відбуватися в момент Великого вибуху. Це, як вже говорилося, точки з нескінченними фізичними величинами. Таке явище отримало назву фізична або космічна сингулярність. Але її закони неспівставні з теорією відносності. Пояснити таке явище може нова теорія квантової гравітації. Це розділ фізики, де вивчається поведінка світла, його властивості і значимість у Всесвіті. Самої теорії ще не існує, але є певні розрахунки і передумови, які можуть стати її основою.

Розгадуємо таємниці гравітації

В астрофізиці існує таке поняття, як швидкість втікання. Воно використовується для того, щоб визначити ступінь розгону, з якою певний об’єкт зможе чинити опір гравітаційним силам. Наприклад, ракета з урахуванням її маси повинна рухатися зі швидкістю близько 12 км/с, щоб покинути атмосферу Землі. Але якби наша планета мала діаметр не 12 742 кілометри, а один сантиметр, то для подолання поля тяжіння потрібно було б рухатися зі швидкістю більшою, ніж швидкість світла. У такому випадку Землю оточувала б не звична нам сила тяжіння, а гравітаційна сингулярність. Звичайно ж, все це теорія, так як якщо наша планета прийме подібні розміри, вона перетвориться на чорну діру. Але такий досвід дає можливість зрозуміти, яке значення гравітації у Всесвіті.

Від чого залежить сила тяжіння?

Чим ближче атоми знаходяться один до одного, тим щільніша речовина. Якщо молекули якось взаємодіють між собою, то відбувається процес нагрівання, отже, температура цієї речовини підвищується. У земних умовах такі процеси відбуваються в певних рамках, тому ми давно винайшли формули, що дозволяють розрахувати поведінку будь-якого хімічного елемента. Все тому, що сила земного тяжіння не дає часткам зближуватися менше, ніж на певну відстань, і віддалятися більш, ніж на конкретну величину. У відкритому космосі, де спостерігаються пустоші між галактиками, простір особливо розряджений, це називається вакуумом. Тут гравітації немає в принципі, тому мала кількість матерії перебуває в хаосі. Біля дуже щільних об’єктів (гігантські блакитні зірки, квазари, а також чорні діри) сила тяжіння піднімається до нереальних для нас, землян, величин. Частинки тут розташовані настільки близько один до одного, що утворюється явище, яке називається «гравітаційна сингулярність» «. Це та сама основа, що впливає на спотворення простору і ступінь кривизни.

Гравітація та поведінка матерії

В область сингулярності матерія не засмоктується. Туди притягується тільки космічний вітер і мікроскопічні частинки. Але людина чисто теоретично може з доброї волі відправитися в такі області. Вони розташовуються в квазарах і в чорних дірах і, на жаль, для живих істот є смертоносними з точки зору біології. Потрапляючи в область великої приливної сили, тіло почне розтягуватися як уздовж, так і поперек. В результаті обриси людини огорнуть сферу і будуть обертатися в ній. Теоретично, якщо очі ще будуть бачити і передавати сигнал в мозок, людина одночасно зможе споглядати всі свої частини тіла, включаючи обличчя, яке буде обертатися перед ним, перевищуючи швидкість світла. Зрозуміло, що в такому вигляді людське тіло існувати не може, але ж це стосується земної фізики. Однак подібний приклад дає нам можливість уявити, що таке сингулярність з практичної точки зору. Було б цікаво припустити, що ми як біологічний вид зможемо прийняти ці нові фізичні закони і існувати в таких формах, утворюючи нові світи для себе.

Протягом часу

Про те, що таке час, можна сперечатися вічно. Сьогодні його визначають як процес проходження фізіологічних, фізичних і психічних процесів для живих організмів і матерії нашого світу. Але властивості часу, його приховані можливості так і не вивчені. Ми сприймаємо його як щось суб’єктивне, і це ретельно можна відстежити, згадуючи свої минулі роки. Коли ми проживали перший рік життя, цей відрізок для нас дорівнював 100 відсоткам. Він був єдиним, що у нас є, всім життям і досвідом. На другий свій день народження один рік вже став 50 відсотками, на третій — лише третю. До 80-річного віку один рік вже був лише 1/80 часткою життя і нічого практично не значив. Так траплялося тому, що протягом першого року все, що ми бачили, було новим. Надалі нам траплялися вже все більш і більш звичні речі і явища. Тому і здавалося, що дитинство тягнеться неймовірно довго, а зрілі роки пролітають моментально. Це наочний приклад того, як сприйняття однієї людини спотворює перебіг часу. А що ж буде, якщо поглянути на цей термін з астрономічної точки зору?

Час на початку часів

Це був невеликий відступ, який дав можливість зрозуміти все те, що ми бачимо. Перебуваючи замкненими в рамках фізики і, більш того, свого власного сприйняття, нам складно уявити, що світ був і може бути зовсім іншим. Так от, сингулярність часу мала таке ж місце в космології, як і сингулярність простору. Зараз для подолання відрізка в 1 кілометр зі швидкістю 5 км/год потрібно 0,2 години. Щоб долетіти від Землі до Сатурна, необхідно витратити кілька років. Але як бути з часом, якщо вся відстань, яка є у світі, дорівнює 1 сантиметру? Множуючи настільки нікчемні параметри на нескінченно велику щільність і масу, ми отримуємо кривизну простору-часу. Це означає, що в момент, коли всесвіт був сингулярним, могло відбуватися все те, що ми бачимо зараз. Події, можливо, перемішувалися, неймовірно спотворювалися і зіставлялися. Простіше висловлюючись, будь-який матеріальний об’єкт міг заглянути як в минуле Землі або іншої планети, так і в її майбутнє.

Технології та вступ до нової ери

Існує і так звана теорія сингулярності, згідно з якою наша планета скоро перетвориться на великий біотехнічний інтелект. На думку дослідників, до середини 21-го століття буде створено комп’ютер, можливості якого перевершать можливості мозку. Штучний розум, природно, візьме гору над менш розвиненими істотами. У цей момент настане технологічна сингулярність. Таку назву було придумано тому, що невідомо, чим такий прогресивний стрибок у галузі науки закінчиться і чи вдасться вижити людству.

Червоточини

Сингулярність чорної діри, з якої, власне, і складається цей космічний об’єкт, — одна з найбільших загадок світу. Сама кротова нора насправді виглядає не як яма з воронкою і вузьким тунелем, а як сфера, утворена гігантською силою гравітації. Про чорні діри ми вже говорили вище, визначаючи їх як смертоносні об’єкти у Всесвіті. Сила їх стиснення неймовірно велика, тому на горизонті подій викривляється простір і зупиняється час. Сингулярність чорної діри можна порівняти з теорією Великого вибуху. Досконало не вивчено, але вважається, що сила стиснення всередині червоточини така ж, як у момент зародження світу. Ось чому існує теорія про те, що чорні діри — це еволюція нових Всесвітів, які існують паралельно з нашим.

Програма, що пояснює частину теорії

У загальних рисах теорію точки неповернення і нескінченної щільності дає зрозуміти гра «Сингулярність». Проходження місії пов’язане з переміщенням у просторі і часу, де ці два поняття єдині. Герой пересувається між 1950 роком і 2010-м, виправляючи помилки радянських вчених і рятуючи сучасних каторжників, ув’язнених на острові, оточеному радіацією. Якщо зануритися в цей світ, то поступово можна зрозуміти, що означає час у просторовому вимірі.

Підбиття підсумків

Вивчення всіх таємниць космосу, які стосуються гравітації, дає можливість зрозуміти, що теорія відносності нас гранично обмежує. Звичайно ж, це неймовірна знахідка для земних умов, але якщо мова йде про вивчення інших просторів, то варто відкинути всі стереотипи. Таке поняття, як «сингулярність» «, перевертає сприйняття звуку, світлових імпульсів, кривизни простору і тривалості часу. Але зустрічається воно поки що тільки в математичній теорії, а у фізичній практиці не знаходить собі пояснення. Найбільш детально нині досліджується сингулярність чорної діри, але вважається, що ця область хоч і стиснута до нескінченності, це не найбільш сколапсована точка Всесвіту.