Was ist der singuläre Zustand der Materie? Quantentheorie der Gravitation

Nach diesem Modell entstand unsere Welt vor etwa dreizehn Milliarden Jahren als Ergebnis des Urknalls eines bestimmten superdichten Zustands unseres Universums - einer Singularität. Was diesem Ereignis vorausging, wie die Singularität entstand, woher ihre Masse kam, war völlig unverständlich - es gibt keine Theorie eines solchen Zustands. Auch das weitere Schicksal des expandierenden Universums war unklar: ob seine Expansion ewig weitergehen oder bis zur nächsten Singularität durch Kontraktion ersetzt werden würde.

Die Theorie der Kosmogenese, die kürzlich von russischen Forschern entwickelt und erstmals im Mai letzten Jahres auf einer internationalen Konferenz am Physikalischen Institut vorgestellt wurde. P. N. Lebedev von der Russischen Akademie der Wissenschaften, zeigt, dass die Singularität ein natürliches Produkt der Entwicklung eines massereichen Sterns ist, der sich in ein Schwarzes Loch verwandelt hat. Ein einzelnes Schwarzes Loch kann zahlreiche „Nachkommen“ in nachfolgenden Universen hervorbringen. Und dieser Prozess geht kontinuierlich weiter und verzweigt sich, wie der Baum der Welt aus skandinavischen Legenden. Das vielschichtige Hyperuniversum ist räumlich und zeitlich unendlich.

Weltbaum

KOSMOLOGISCHES MODELL

"Im Anfang war das Wort, und das Wort war bei Gott, und das Wort war Gott." Kurz und deutlich, aber unverständlich. Glücklicherweise gibt es neben der Theologie auch die Kosmologie – die Wissenschaft vom Universum. Das kosmologische Weltbild ist per definitionem objektiv, nichtreligiös und daher für jeden Menschen interessant, der die Fakten zu schätzen weiß.

Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts blieb die Kosmologie eine spekulative Disziplin: Sie war noch keine Physik, die auf empirischen Erfahrungen und unabhängigen Experimenten beruhte, sondern Naturphilosophie, die auf den Ansichten, einschließlich der religiösen, des Wissenschaftlers selbst beruhte. Erst mit dem Aufkommen der modernen Gravitationstheorie, bekannt als allgemeine Relativitätstheorie, erhielt die Kosmologie eine theoretische Grundlage. Zahlreiche Entdeckungen sowohl in der Astronomie als auch in der Physik gaben unserer Heldin eine Beobachtungsrechtfertigung. Numerische Experimente wurden zu einem wichtigen Hilfsmittel für Theorie und Beobachtungen. Beachten Sie, dass entgegen mancher Behauptung keine Widersprüche zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie einerseits und Beobachtungen und Experimenten andererseits bestehen. Schließlich berechneten sie auf Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur die Ablenkung eines Lichtstrahls im Gravitationsfeld der Sonne, was ehrlich gesagt nicht grundsätzlich wichtig für die Volkswirtschaft ist, sondern auch die Umlaufbahnen von Planeten und Raumfahrzeugen , sowie die technischen Parameter von Beschleunigern, einschließlich des Large Hadron Collider. Das bedeutet natürlich nicht, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die letzte Wahrheit ist. Die Suche nach einer neuen Gravitationstheorie geht jedoch in die Richtung, die bestehende zu verallgemeinern und nicht aufzugeben.

Die Definition, die wir der Kosmologie – der Wissenschaft des Universums – gegeben haben, ist ziemlich weit gefasst. Wie Arthur Eddington richtig bemerkte, ist alle Wissenschaft Kosmologie. Daher ist es logisch, an konkreten Beispielen zu erläutern, welche Aufgaben und Probleme mit kosmologischen zusammenhängen.

Der Bau eines Modells des Universums ist natürlich eine kosmologische Aufgabe. Es ist heute allgemein anerkannt, dass das Universum auf großen Skalen (größer als 100 Megaparsec) homogen und isotrop ist. Dieses Modell wird nach seinem Entdecker Alexander Fridman Friedman-Modell genannt. In kleinem Maßstab unterliegt die Materie des Universums dem Prozess der Gravitationsverdrehung aufgrund von Gravitationsinstabilität – die zwischen Körpern wirkende Anziehungskraft neigt dazu, sie zusammenzubringen. Letztendlich führt dies zur Entstehung der Struktur des Universums - Galaxien, ihre Haufen usw.

Das Universum ist nicht stationär: Es dehnt sich aus und beschleunigt sich (inflationär) aufgrund der darin enthaltenen dunklen Energie - einer Art Materie, deren Druck negativ ist. Das kosmologische Modell wird durch mehrere Parameter beschrieben. Dies sind die Menge an dunkler Materie, Baryonen, Neutrinos und die Anzahl ihrer Varianten, die Werte der Hubble-Konstante und der räumlichen Krümmung, die Form des Spektrums der anfänglichen Dichtestörungen (eine Reihe von Störungen unterschiedlicher Größe), die Amplitude von primären Gravitationswellen, die Rotverschiebung und die optische Tiefe der sekundären Ionisation von Wasserstoff, sowie andere, weniger wichtige Parameter. Jeder von ihnen verdient eine gesonderte Diskussion, die Definition eines jeden ist eine ganze Studie, und all dies bezieht sich auf die Aufgaben der Kosmologie. Der kosmologische Parameter ist nicht nur eine Zahl, sondern auch die physikalischen Prozesse, die die Welt, in der wir leben, bestimmen.

FRÜHES UNIVERSUM

Ein vielleicht noch wichtigeres kosmologisches Problem ist die Frage nach dem Ursprung des Universums, nach dem, was am Anfang war.

Seit Jahrhunderten stellen sich Wissenschaftler das Universum als ewig, unendlich und statisch vor. Dass dem nicht so ist, wurde in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts entdeckt: Die Nichtstationarität der Lösungen der Gravitationsgleichungen wurde von dem bereits erwähnten A. A. Fridman theoretisch aufgedeckt und die Beobachtungen (mit der richtigen Interpretation) gemacht fast gleichzeitig von mehreren Astronomen. Es ist methodisch wichtig zu betonen, dass sich der Raum selbst nirgendwo ausdehnt: Wir sprechen von der volumetrischen Ausdehnung eines großräumigen Materiestroms, der sich in alle Richtungen ausbreitet. Wenn wir vom Anfang des Universums sprechen, denken wir an die Frage nach dem Ursprung dieses kosmologischen Flusses, der einen anfänglichen Expansionsimpuls und eine gewisse Symmetrie erhielt.

Die Idee eines ewigen und unendlichen Universums hat durch die Arbeiten vieler Forscher des 20. Jahrhunderts, manchmal entgegen ihrer persönlichen Überzeugung, an Boden verloren. Die Entdeckung der globalen Expansion des Universums bedeutete nicht nur, dass das Universum nicht statisch ist, sondern auch, dass sein Alter endlich ist. Nach vielen Debatten darüber, was es ist, und vielen wichtigen Beobachtungsentdeckungen wurde die Zahl ermittelt: 13,7 Milliarden Jahre. Das ist sehr wenig. Schließlich kroch schon vor zwei Milliarden Jahren etwas auf der Erde. Außerdem ist der Radius des sichtbaren Universums zu groß (wenige Gigaparsec) für ein so kleines Alter. Anscheinend ist die enorme Größe des Universums mit einer anderen – inflationären – Expansionsphase verbunden, die in der Vergangenheit stattfand und durch eine Phase langsamer Expansion ersetzt wurde, die durch die Schwerkraft von Strahlung und dunkler Materie gesteuert wird. Später beginnt eine weitere Phase der beschleunigten Expansion des Universums, die bereits von dunkler Energie kontrolliert wird. Die GR-Gleichungen zeigen, dass bei beschleunigter Expansion die Größe des kosmologischen Flusses sehr schnell zunimmt und größer ausfällt als der Lichthorizont.

Das Alter des Universums ist mit einer Genauigkeit von 100 Millionen Jahren bekannt. Aber trotz einer so "geringen" Genauigkeit können wir (die Menschheit) die Prozesse, die zeitlich sehr nahe am "Moment der Geburt des Universums" abliefen, zuversichtlich verfolgen - etwa 10^-35 Sekunden. Dies ist möglich, weil die Dynamik physikalischer Prozesse, die in kosmologischen Entfernungen ablaufen, nur mit der Schwerkraft zusammenhängt und in diesem Sinne absolut klar ist. Mit der verfügbaren Theorie (GR) können wir das kosmologische Standardmodell im modernen Universum in die Vergangenheit extrapolieren und "sehen", wie es in seiner Jugend aussah. Und es sah einfach aus: Das frühe Universum war streng determiniert und bestand aus einem laminaren Materiefluss, der sich von superhoher Dichte aus ausbreitete.

SINGULARITÄT

Dreizehn Milliarden Jahre sind etwa 10^17 Sekunden. Und der "natürliche" Beginn des kosmologischen Flusses bei einer solchen Extrapolation fällt mit der Planck-Zeit zusammen - 10^-43 Sekunden. Insgesamt 43 + 17 = 60 Bestellungen. Es ist sinnlos, darüber zu sprechen, was vor 10^-43 Sekunden passiert ist, da die Planck-Skala aufgrund von Quanteneffekten das kleinste Intervall ist, für das das Konzept von Kontinuität und Ausdehnung anwendbar ist. An diesem Punkt gaben viele Forscher auf. Es ist unmöglich, weiter zu gehen, weil wir keine Theorie haben, wir die Quantengravitation nicht kennen usw.

Es kann jedoch nicht wirklich gesagt werden, dass das Universum genau in diesem Alter „geboren“ wurde. Es ist durchaus möglich, dass der Materiestrom in sehr kurzer (Planck'scher) Zeit durch den superdichten Zustand "durchgerutscht" ist, das heißt, etwas hat ihn gezwungen, dieses kurzfristige Stadium zu durchlaufen. Und dann gibt es keine logische Sackgasse mit Plancks Zeit und Plancks Konstante. Sie müssen nur verstehen, was dem Beginn der kosmologischen Expansion vorausgehen könnte, aus welchem Grund und was die gravitative Materie durch den Zustand superhoher Dichte "gezogen" hat.

Die Antwort auf diese Fragen liegt unserer Meinung nach in der Natur der Schwerkraft. Quanteneffekte spielen hier eine untergeordnete Rolle, die das Konzept der superdichten Materie innerhalb eines kurzen Zeitintervalls modifiziert und modifiziert. Natürlich kennen wir heute nicht alle Eigenschaften effektiver Materie [diese „Materie“ heißt effektiv, weil sie auch Parameter enthält, die mögliche Abweichungen der Gravitation von der allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben. In diesem Zusammenhang erinnern wir daran, dass die moderne Wissenschaft mit getrennten physikalischen Konzepten von Materie und Raumzeit (Schwerkraft) arbeitet. Unter extremen Bedingungen in der Nähe der Singularität ist eine solche Teilung bedingt - daher der Begriff "effektive Materie".] unter extremen Bedingungen. Aber angesichts der kurzen Dauer dieses Stadiums sind wir in der Lage, den gesamten dynamischen Prozess zu beschreiben, indem wir uns nur auf die bekannten Gesetze zur Erhaltung von Energie und Impuls verlassen und davon ausgehen, dass sie immer in der durchschnittlichen metrischen Raumzeit gelten, egal was passiert Quanten-"Theorie von allem" wird in Zukunft erstellt.

KOSMOGENESE

In der Geschichte der Kosmologie gab es mehrere Versuche, das Singularitätsproblem zu umgehen und es beispielsweise durch das Konzept der Geburt des Universums als Ganzes zu ersetzen. Nach der Hypothese der Geburt aus dem „Nichts“ entstand die Welt aus einem „Punkt“, einer Singularität, einem superdichten Bereich mit sehr hoher Symmetrie und allem, was man sich sonst noch vorstellen kann (Metastabilität, Instabilität, Quanten-Subbarriere-Übergang nach Friedmann Symmetrie usw.). Bei diesem Ansatz wurde das Singularitätsproblem nicht gelöst, und die Singularität wurde in Form eines anfänglichen superdichten vakuumähnlichen Zustands postuliert (siehe "Science and Life" Nr. 11, 12, 1996).

Es gab andere Versuche, von der Singularität „wegzukommen“, aber ihr Preis war immer hoch. Stattdessen war es notwendig, obskure Konstruktionen von entweder superdichten (sub-Planckschen) Materiezuständen oder „Abpraller“ der Friedmann-Strömung von hoher Dichte (Wechsel von Kompression zu Expansion) oder andere hypothetische Rezepte für das Verhalten von hoch- Dichte Angelegenheit.

Niemand mag die Singularität. Das physikalische Bild der Welt geht von einer sich verändernden, sich entwickelnden, aber ständig existierenden Welt aus. Wir schlagen vor, die Singularität anders zu betrachten und davon auszugehen, dass die hochkomprimierten Zustände, die ein dynamisches gravitativ wechselwirkendes System (im einfachsten Fall ein Stern) unter bestimmten Bedingungen einnimmt und durchläuft, objektiv und natürlich für die Gravitation sind. Einzelne Regionen als temporäre Brücken oder Ketten verbinden ausgedehntere Bereiche unserer Welt. Wenn dem so ist, dann müssen wir verstehen, was bewirkt, dass Materie in spezielle Singularzustände fällt und wie sie aus ihnen herauskommt.

Wie bereits erwähnt, beginnt die kosmologische Expansion mit einer kosmologischen Singularität – wenn wir die Zeit gedanklich zurückdrehen, kommen wir unweigerlich zu einem Moment, in dem die Dichte des Universums ins Unendliche geht. Wir können diese Behauptung aufgrund von QSM und GR als offensichtliche Tatsache betrachten. Stellen wir uns als Selbstverständlichkeit eine einfache Folgefrage: Wie entsteht eine Singularität, wie kommt gravitierende Materie in einen superkomprimierten Zustand? Die Antwort ist überraschend einfach: Dies wird durch den Prozess der Gravitationskontraktion eines massiven Systems (eines Sterns oder eines anderen kompakten astrophysikalischen Systems) am Ende seiner Entwicklung verursacht. Als Folge des Zusammenbruchs entsteht ein Schwarzes Loch und infolgedessen seine Singularität. Das heißt, der Kollaps endet mit einer Singularität, und die Kosmologie beginnt mit einer Singularität. Wir argumentieren, dass dies eine Kette eines einzigen kontinuierlichen Prozesses ist.

Die Frage nach dem Ursprung des Universums hat nach mehreren Versuchen, Formulierungsversuchen und unterschiedlichen Interpretationen im 21. Jahrhundert in Form der QSM und ihrer eindeutigen Extrapolation in die Vergangenheit entlang der allgemeinen Relativitätstheorie eine solide wissenschaftliche Grundlage erhalten. Beginnend mit der Betrachtung dieses Problems aus dem einzigen uns bekannten Universum sollten wir das allgemeine physikalische Prinzip nicht vergessen, das mit dem Namen von Nicolaus Copernicus verbunden ist. Früher glaubte man, die Erde sei das Zentrum des Universums, dann wurde sie mit der Sonne in Verbindung gebracht, später stellte sich heraus, dass unsere Galaxie nicht die einzige ist, sondern nur eine unter sehr vielen (nur sichtbare Galaxien sind fast eine Billion) . Es ist logisch anzunehmen, dass es viele Universen gibt. Dass wir noch nichts über andere wissen, liegt an der Größe unseres Universums – seine Ausmaße überschreiten offensichtlich den Horizont der Sichtbarkeit.

Größe (Maßstab) des Universums ist die Größe des kausal zusammenhängenden Bereichs, der während seiner Ausdehnung gedehnt wird. Die Größe der Sichtbarkeit ist die Entfernung, die das Licht während der Existenz des Universums "durchquert" hat. Sie kann durch Multiplikation der Lichtgeschwindigkeit und des Alters des Universums erhalten werden. Die Tatsache, dass das Universum auf großen Skalen isotrop und homogen ist, bedeutet, dass die Anfangsbedingungen in voneinander entfernten Regionen des Universums ähnlich waren.

Wir haben bereits erwähnt, dass dieses große Ausmaß auf das Vorhandensein einer inflationären Expansionsphase zurückzuführen ist. In der vorinflationären Zeit des Urknalls könnte der expandierende Strom sehr klein sein und überhaupt nicht die Merkmale des Friedman-Modells aufweisen. Aber wie man aus einer kleinen Strömung eine große macht, ist kein Problem der Kosmogenese, sondern eine technische Frage der Existenz einer letzten Zwischenstufe des Aufblasens, die die Strömung erweitern kann, so wie die Oberfläche eines aufgeblasenen Ballons zunimmt. Das Hauptproblem der Kosmogenese liegt nicht in der Größe des kosmologischen Flusses, sondern in seinem Erscheinungsbild. So wie es ein bekanntes Verfahren zur Bildung kontrahierender Materieströme (Gravitationskollaps) gibt, muss es einen ziemlich allgemeinen und einfachen physikalischen Mechanismus zur Gravitationserzeugung ("Zündung") expandierender Materieströme geben.

INTEGRIERBARE SINGULARITÄTEN

Wie also „hinter“ die Singularität vordringen? Und was steckt dahinter?

Es ist bequem, die Struktur der Raumzeit zu studieren, indem man im Geiste kostenlose Versuchsteilchen hineinschießt und beobachtet, wie sie sich bewegen. Nach unseren Berechnungen sind geodätische Trajektorien [die kürzesten räumlichen Entfernungen einer bestimmten Struktur. Im euklidischen Raum sind dies Geraden, im Riemannschen Raum Kreisbögen usw.] von Testteilchen breiten sich zeitlich frei durch singuläre Regionen einer bestimmten Klasse aus, die wir integrierbare Singularitäten nannten. (Die Dichte oder der Druck divergieren in der Singularität, aber das Volumenintegral dieser Größen ist endlich: Die Masse der integrierbaren Singularität geht gegen Null, da sie ein unbedeutendes Volumen einnimmt.) Nachdem sie das Schwarze Loch passiert haben, finden sich geodätische Trajektorien in der wieder Raum-Zeit-Domäne (von französisch domaine - Bereich, Besitz) eines weißen Lochs, das sich mit allen Anzeichen eines kosmologischen Flusses ausdehnt. Diese Raum-Zeit-Geometrie ist einheitlich, und es ist logisch, sie als schwarzes und weißes Loch zu definieren. Die kosmologische Domäne des Weißen Lochs befindet sich in der absoluten Zukunft in Bezug auf die Elterndomäne des Schwarzen Lochs, das heißt, das Weiße Loch ist eine natürliche Fortsetzung und ein Produkt des Schwarzen Lochs.

Dieses neue Konzept wurde erst vor kurzem geboren. Die Macher kündigten ihren Auftritt im Mai 2011 auf einer wissenschaftlichen Konferenz zum Gedenken an A. D. Sacharow an, die im Flaggschiff der russischen Physik - dem Physikalischen Institut - stattfand. P. N. Lebedev von der Russischen Akademie der Wissenschaften (FIAN).

Wie ist das möglich und warum wurde ein solcher Mechanismus der Kosmogenese nicht früher berücksichtigt? Beginnen wir mit der Beantwortung der ersten Frage.

Ein Schwarzes Loch zu finden ist nicht schwierig, es gibt viele von ihnen - mehrere Prozent der gesamten Masse der Sterne des Universums sind in Schwarzen Löchern konzentriert. Der Mechanismus ihres Auftretens ist ebenfalls gut bekannt. Man hört oft, dass wir auf einem Friedhof von Schwarzen Löchern leben. Aber kann dies ein Friedhof (das Ende der Evolution) genannt werden, oder beginnen andere Zonen (Domänen) unserer komplexen Welt, andere Universen jenseits der Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern?

Wir wissen, dass es im Innern eines Schwarzen Lochs eine besondere einzigartige Region gibt, in die die gesamte von ihm eingefangene Materie „herunterfällt“ und in der das Gravitationspotential ins Unendliche schießt. Die Natur toleriert jedoch nicht nur Leere, sondern auch Unendlichkeit oder Divergenz (obwohl niemand große Zahlen gestrichen hat). Wir konnten die Singularitätsregion „durchqueren“, indem wir verlangten, dass die gravitativen (metrischen) Potentiale darin und damit die Gezeitenkräfte endlich bleiben.

Die Divergenz metrischer Potentiale lässt sich beseitigen, indem man die Singularität mit Hilfe von effektiver Materie glättet, wodurch sie abgeschwächt, aber nicht vollständig beseitigt wird. (Eine solche integrierbare Singularität kann mit dem Verhalten dunkler Materie verglichen werden, wenn sie sich dem Zentrum einer Galaxie nähert. Ihre Dichte tendiert gegen unendlich, aber die Masse, die innerhalb eines abnehmenden Radius enthalten ist, tendiert aufgrund der Tatsache, dass das Volumen innerhalb dieses Radius gegen Null geht nimmt schneller ab als die Dichte zunimmt. Eine solche Analogie ist nicht absolut: Die galaktische Spitze, eine Region unterschiedlicher Dichte, ist eine räumliche Struktur, und die Singularität eines Schwarzen Lochs tritt als zeitliches Ereignis auf.) Gezeitenkräfte, die auf ein Teilchen wirken, sind endlich, weil sie von der Gesamtmasse abhängen. Dadurch können Testteilchen die Singularität ungehindert passieren: Sie breiten sich in kontinuierlicher Raumzeit aus, und Informationen über die Dichte- oder Druckverteilung sind nicht erforderlich, um ihre Bewegung zu beschreiben. Und mit Hilfe von Testpartikeln können Sie die Geometrie beschreiben, Referenzsysteme aufbauen und die räumlichen und zeitlichen Abstände zwischen Punkten und Ereignissen messen.

SCHWARZ-WEISS-LÖCHER

Sie können also durch die Singularität gehen. Und somit kann man „sehen“, was sich dahinter verbirgt, durch welche Raumzeit sich unsere Testteilchen weiter ausbreiten. Und sie fallen in die Region des weißen Lochs. Die Gleichungen zeigen, dass eine Art Oszillation auftritt: Der Energiefluss aus dem kontrahierenden Bereich des Schwarzen Lochs setzt sich in den expandierenden Bereich des Weißen Lochs fort. Der Impuls kann nicht verborgen werden: Der Kollaps wird in einen Antikollaps umgewandelt, wobei der Gesamtimpuls erhalten bleibt. Und das ist schon ein anderes Universum, denn ein mit Materie gefülltes weißes Loch hat alle Eigenschaften einer kosmologischen Strömung. Das bedeutet, dass unser Universum vielleicht das Produkt einer anderen Welt ist.

Das aus den erhaltenen Lösungen der Gravitationsgleichungen folgende Bild entsteht z. Der Mutterstern kollabiert im Mutteruniversum und bildet ein Schwarzes Loch. Infolge des Kollapses entstehen um den Stern zerstörerische Gezeitengravitationskräfte, die sich verformen und das Vakuum brechen, wodurch Materie im zuvor leeren Raum entsteht. Diese Materie aus der singulären Region des Schwarz-Weiß-Lochs fällt in ein anderes Universum und dehnt sich unter der Wirkung eines Gravitationsimpulses aus, der während des Kollapses des Muttersterns empfangen wird.

Die Gesamtmasse der Teilchen in einem solchen neuen Universum kann beliebig groß sein. Er kann die Masse des Muttersterns deutlich überschreiten. In diesem Fall ist die Masse des gebildeten (Eltern-) Schwarzen Lochs, gemessen von einem Beobachter im Weltraum des Mutteruniversums, endlich und nahe an der Masse des kollabierten Sterns. Hier liegt kein Paradoxon vor, da der Massenunterschied durch die Gravitationsbindungsenergie, die ein negatives Vorzeichen hat, kompensiert wird. Wir können sagen, dass sich das neue Universum in Bezug auf das übergeordnete (alte) Universum in der absoluten Zukunft befindet. Mit anderen Worten, Sie können dorthin gehen, aber Sie können nicht zurück.

ASTROGENISCHE KOSMOLOGIE ODER EIN MEHRERES UNIVERSUM

Eine solch komplexe Welt ähnelt dem Baum des Lebens (einem Stammbaum, wenn Sie so wollen). Wenn im Laufe der Evolution schwarze Löcher im Universum auftauchen, können Partikel durch sie in andere Zweige (Domänen) des Universums gelangen - und so weiter entlang der temporären Girlanden aus schwarzen und weißen Löchern. Wenn aus dem einen oder anderen Grund keine Schwarzen Löcher entstehen (z. B. Sterne werden nicht geboren), entsteht eine Sackgasse - die Entstehung (Schöpfung) neuer Universen in dieser Richtung wird unterbrochen. Aber unter günstigen Umständen kann der Fluss des "Lebens" sogar von einem Schwarzen Loch wieder aufgenommen werden - dazu müssen Bedingungen für die Produktion neuer Generationen von Schwarzen Löchern in nachfolgenden Universen geschaffen werden.

Wie können „günstige Umstände“ entstehen und wovon hängen sie ab? In unserem Modell ist dies auf die Eigenschaften effektiver Materie zurückzuführen, die unter der Einwirkung extremer Schwerkraft in der Nähe der Singularitäten von Schwarzen und Weißen Löchern entsteht. Tatsächlich handelt es sich um nichtlineare Phasenübergänge in einem quantengravitativen Materialsystem, die den Charakter von Fluktuationen haben und daher zufälligen (Bifurkations-)Änderungen unterliegen. Im Gegensatz zu Einsteins Schlagwort können wir sagen, dass „Gott würfelt“, und dann können sich diese Würfel (Anfangsbedingungen) zu deterministischen Domänen neuer Universen formen, oder sie können unentwickelte „Embryonen“ der Kosmogenese bleiben. Hier, wie im Leben, gibt es Gesetze der natürlichen Auslese. Dies ist jedoch Gegenstand weiterer Forschung und zukünftiger Arbeiten.

WIE MAN DIE SINGULARITÄT VERMEIDET

Zu einer Zeit wurde das Konzept eines oszillierenden oder zyklischen Universums basierend auf der „Bounce“-Hypothese vorgeschlagen. Ihrer Meinung nach existiert das Universum in Form einer unendlichen Anzahl von Zyklen. Seine Expansion wird durch eine Kontraktion fast bis zu einer Singularität ersetzt, gefolgt von einer erneuten Expansion, und eine Reihe solcher Zyklen gehen in die Vergangenheit und in die Zukunft. Kein sehr klares Konzept, denn erstens gibt es keine beobachtbaren Beweise dafür, dass eines Tages die Expansion unserer Welt durch eine Kontraktion ersetzt wird, und zweitens ist der physikalische Mechanismus, der das Universum zu solchen oszillierenden Bewegungen veranlasst, nicht klar.

Eine andere Annäherung an die Entstehung der Welt ist mit der Hypothese eines selbstheilenden Universums verbunden, die der russische Wissenschaftler A. D. Linde, der in den USA lebt, seit vielen Jahren vorschlägt. Nach dieser Hypothese lässt sich die Welt als kochender Kessel darstellen. Global gesehen ist das Universum eine heiße Suppe mit hoher Energiedichte. Darin entstehen Blasen, die entweder kollabieren oder sich ausdehnen, und zwar unter bestimmten Anfangsbedingungen für lange Zeit. Es wird angenommen, dass die Eigenschaften (jede, die man sich vorstellen kann, einschließlich einer Reihe von fundamentalen Konstanten) von Blasen aufstrebender Welten ein gewisses Spektrum und eine große Bandbreite haben. Hier stellen sich viele Fragen: Woher kommt eine solche „Brühe“, wer hat sie gebraut und was hält sie aufrecht, wie oft werden die Anfangsbedingungen realisiert, die zum Erscheinen von Universen unserer Art führen usw.

WIE INTEGRIERBARE SINGULARITÄTEN ENTSTEHEN KÖNNEN

Während wir uns der Singularität nähern, wirken die wachsenden Gezeitenkräfte auf das Vakuum physikalischer Felder, verformen und brechen es. Es gibt, wie sie sagen, die Polarisierung des Vakuums und die Geburt von Materieteilchen aus dem Vakuum - ihren Zusammenbruch.

Eine solche Reaktion des physikalischen Vakuums auf die äußere intensive Einwirkung eines sich schnell ändernden Gravitationsfeldes ist bekannt. Dies ist in der Tat der Effekt der Quantengravitation - Gravitationsspannungen werden in materielle Felder umgewandelt, es gibt eine Umverteilung physikalischer Freiheitsgrade. Solche Effekte können heute in der Schwachfeldnäherung (dem sogenannten semiklassischen Limit) berechnet werden. In unserem Fall sprechen wir von mächtigen nichtlinearen Quantengravitationsprozessen, bei denen es notwendig ist, den umgekehrten gravitativen Einfluss der geborenen effektiven Materie auf die Entwicklung der durchschnittlichen Metrik zu berücksichtigen, die die Eigenschaften des vierdimensionalen Raums bestimmt. Zeit (wenn Quanteneffekte in der Gravitation stark werden, wird die Metrik „zitternd“ und wir können nur im mittleren Sinn davon sprechen).

Diese Richtung bedarf natürlich weiterer Forschung. Es ist jedoch bereits davon auszugehen, dass nach dem Prinzip von Le Chatelier die umgekehrte Beeinflussung zu einer solchen Umordnung des metrischen Raums führen wird, dass das Wachstum der Gezeitenkräfte, das die unbegrenzte Geburt effektiver Materie bewirkt, gestoppt wird und folglich , werden die metrischen Potentiale aufhören zu divergieren und endlich und stetig bleiben.

Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften Vladimir Lukash,
Kandidatin der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften Elena Mikheeva,
Kandidat der physikalischen und mathematischen Wissenschaften Vladimir Strokov (Astrospace Center of FIAN),

Das Universum, in dem wir leben, wird durch das kosmologische Standardmodell beschrieben. Nach diesem Modell entstand unsere Welt vor etwa dreizehn Milliarden Jahren als Ergebnis des Urknalls eines bestimmten superdichten Zustands unseres Universums - einer Singularität. Was diesem Ereignis vorausging, wie die Singularität entstand, woher ihre Masse kam, war völlig unverständlich - es gibt keine Theorie eines solchen Zustands. Auch das weitere Schicksal des expandierenden Universums war unklar: ob seine Expansion ewig weitergehen oder bis zur nächsten Singularität durch Kontraktion ersetzt werden würde.

Weltbaum

KOSMOLOGISCHES MODELL

FRÜHES UNIVERSUM

Ein vielleicht noch wichtigeres kosmologisches Problem ist die Frage nach dem Ursprung des Universums, nach dem, was am Anfang war.

SINGULARITÄT

KOSMOGENESE

INTEGRIERBARE SINGULARITÄTEN

Wie also „hinter“ die Singularität vordringen? Und was steckt dahinter?

Wie ist das möglich und warum wurde ein solcher Mechanismus der Kosmogenese nicht früher berücksichtigt? Beginnen wir mit der Beantwortung der ersten Frage.

SCHWARZ-WEISS-LÖCHER

ASTROGENISCHE KOSMOLOGIE ODER EIN MEHRERES UNIVERSUM

WIE MAN DIE SINGULARITÄT VERMEIDET

WIE INTEGRIERBARE SINGULARITÄTEN ENTSTEHEN KÖNNEN

Jeder, der auf den Begriff „Singularität“ gestoßen ist, wollte wissen, was das ist? Wenn wir eine wörtliche Übersetzung aus dem Lateinischen machen, stellt sich heraus, dass dies eine Singularität eines Ereignisses, einer Kreatur oder eines Phänomens ist. Das Konzept der Singularität (Merkmal) ist in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie üblich und hat eine gewisse Spezifität. Abhängig davon kann die Singularität sein:

mathematisch;
Schwere;
kosmologische;
technologisch;
biologisch.

Aber wenn Sie philosophischer schauen, dann ist die Singularität das ganze Universum in einem winzigen Punkt. Und das ist nicht nur die gesamte Substanz des Universums, sondern auch unser Leben mit seinem Bewusstsein, seiner Bedeutung und seinen Gefühlen.

Kosmologische Singularität

Ansonsten ist dies der Zustand, den das Universum im allerersten Moment des Urknalls hatte. Es ist durch das Vorhandensein unendlicher Werte der Dichte und Temperatur der Substanz gekennzeichnet. Dieser Zustand, der zum Beispiel einer gravitativen Singularität geworden ist, wurde von Einstein in den Bestimmungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Es ist unglaublich schwer vorstellbar, dass die Sonne auf die Größe eines Atomkerns komprimiert werden kann, aber noch schwieriger ist es, sich vorzustellen, dass das gesamte Universum auf einen Punkt komprimiert wurde, der viel kleiner war als dieser Kern. Dennoch, Das Universum entstand aus einem solchen Objekt, das Singularität genannt wird. Diese Version der Ereignisse wird mathematisch berechnet und ist die Haupttheorie der Entstehung der umgebenden Welt. Aber es gibt gewisse Schwierigkeiten, die durch diese Theorie nicht erklärt werden.

Niemand weiß genau, wo sich der Punkt befand, aus dessen Kern unser Universum geboren wurde.
Es ist nicht klar, wie dieses Merkmal endlose Mengen an Energie und Materie "geboren" hat.
Auch die Heterogenität des Universums ist nicht ganz klar. Nach allen Kanonen hätte es homogen werden sollen, aber diese Gleichmäßigkeit war nicht einmal im Primärgas.
Die uns bekannten physikalischen Gesetze, die helfen, die uns vertraute Welt zu beschreiben, funktionieren im Falle einer Singularität nicht. Daraus folgt, dass nur die Ereignisse nach dem Urknall beschrieben werden können, nicht aber die Explosion selbst und nicht deren Schwelle.

Die eigentliche Tatsache der Entstehung einer kosmologischen Singularität, wenn wir die Lösung, die die Dynamik der Expansion des Universums beschreibt, in der Zeit zurückverfolgen, wurde 1967 von S. Hawking bewiesen. Aber er bemerkte, dass die Singularität aus den Gesetzen der Physik gestrichen wird. Es ist unmöglich, dass Dichte und Temperatur gleichzeitig unendliche Werte haben. Unendliche Dichte impliziert, dass das Chaosmaß (Entropie) gegen Null tendiert, und dies passt nicht zu unendlicher Temperatur. Die kosmologische Singularität (und die Tatsache ihrer Existenz) ist zu einem der Hauptprobleme der Kosmologie geworden. Dies folgt aus der Tatsache, dass alle verfügbaren Informationen über die Ereignisse nach dem Urknall absolut keine Informationen über die Phänomene geben, die diesem grandiosen Ereignis vorausgingen. Aber die wissenschaftliche Welt versucht ständig, dieses Problem zu lösen, und diese Versuche finden in verschiedene Richtungen statt:

Es wird angenommen, dass es möglich sein wird, die Dynamik des Feldes dort zu beschreiben, wo es keine gegebenen Singularitäten gibt, mit Hilfe der Quantengravitation, deren Theorie noch nicht aufgebaut ist;
Es wird angenommen, dass es möglich ist, die Bedingung der Energiedominanz zu verletzen, wenn Quanteneffekte in Nicht-Gravitationsfeldern berücksichtigt werden, betonte Hawking nämlich;
Es gibt andere Gravitationstheorien, die sich nicht auf die Singularität berufen. In ihnen erfährt der mit Hilfe der Gravitationskräfte auf die Grenze komprimierte Stoff nicht Anziehung, sondern Abstoßung.

Gravitationssingularität

Wenn wir in der trockenen Sprache der Physik sprechen, dann ist dies ein Punkt in der Raumzeit, durch den es keine Möglichkeit gibt, eine geodätische Linie gleichmäßig zu verlegen. Oft macht die gravitative Singularität die Größen, die das Gravitationsfeld beschreiben, unendlich oder unbestimmt. Zu diesen Größen gehören beispielsweise die Energiedichte oder die skalare Krümmung. impliziert, dass bei der Entstehung eines Schwarzen Lochs Singularitäten auftreten müssen. Liegen sie unterhalb des Ereignishorizonts, können sie nicht beobachtet werden. Im Falle des Urknalls gibt es eine bloße Singularität – seine Beobachtung ist durchaus möglich, es sei denn natürlich, Sie befinden sich in der Nähe. Leider ist es unmöglich, es direkt zu sehen, daher ist es nach dem Entwicklungsstand der modernen Physik nur ein theoretisches Objekt. Wenn die Bestimmungen der Quantengravitation entwickelt werden, wird es möglich sein, die Raumzeit in der Nähe dieser Objekte zu beschreiben.

Jedes Schwarze Loch hat zwei Hauptmerkmale – einen Ereignishorizont und eine Singularität, die das Zentrum dieses Lochs ist. Hier gibt es eine Verzerrung sowie eine Lücke in der Raumzeit. Tatsächlich verlieren hier die Gesetze der Physik ihre Logik. Es gibt Theorien, dass es an solchen Stellen durchaus möglich ist, in andere Welten überzugehen. Ein mathematisches Modell wurde entwickelt - die "Einstein-Rosen-Brücke", das diese Option bestätigt. Dies kann durch Springen durch die Singularität erfolgen. Hier kreuzen sich die Schichten des Universums und bilden eine Art Subraumübergang. Es ist eine Kombination aus zwei Löchern - schwarz und weiß. Dies ist eine Art Zeitmaschine, und die Tatsache des Übergangs selbst steht nicht im Widerspruch zum Kausalitätsprinzip. Der Sprung durch die Singularität eines sich drehenden Schwarzen Lochs macht Zeitreisen in alle Richtungen möglich. Da das Schwarze Loch von einem Ereignishorizont umgeben ist, ist die Singularität im nackten Zustand nicht zu sehen. Dennoch werden Modelle geschaffen, die dies mit unterschiedlichem Realismus ermöglichen.

Wenn Sie ein Schwarzes Loch bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit drehen, kann sich der Ereignishorizont trennen. Allerdings gibt es hier einige Schwierigkeiten. Um ein Schwarzes Loch zu drehen, müssen Sie zusätzliche Masse hineingießen, was aufgrund des Vorhandenseins einer klaren Grenze, über die hinaus die Drehung des Lochs unmöglich ist, nicht sehr realistisch ist. Meist wird aber angenommen, dass die Masse einem bereits sehr schnell rotierenden Loch hinzugefügt wird. Und wenn wir davon ausgehen, dass die Rotation gerade erst begonnen hat? Mit dieser Option können Sie das Schwarze Loch in einen Zustand drehen, in dem seine Singularität offen wird. Es ist wahrscheinlich, dass Schwarze Löcher durch das Universum reisen und eine bloße Singularität zur Schau stellen.

Singularität in der Mathematik

Das mathematische Konzept einer gegebenen Singularität ist ein bestimmter Punkt, an dem eine mathematische Funktion gegen Unendlich strebt. Entweder hat die Funktion andere Unregelmäßigkeiten im Verhalten (insbesondere einen kritischen Punkt).

Technologische Singularität

Dieses Konzept bezieht sich hauptsächlich auf das Gebiet der Futurologie, einer Lehre, die versucht, die Zukunft vorherzusagen. In diesem Fall werden einige bestehende Trends in Technologie, Wirtschaft und sozialen Phänomenen zugrunde gelegt und dann extrapoliert. Es wird angenommen, dass bald ein Moment kommen wird, in dem der Fortschritt in Wissenschaft und Technologie das Verständnis des Menschen übersteigen wird Geist. Dies wird wahrscheinlich real werden, nachdem die Möglichkeit der Schaffung künstlicher Intelligenz auftaucht und die Produktion von Maschinen, die sich selbst reproduzieren, angepasst wird. Die Integration einer Person mit Computern oder eine starke Änderung der Funktionalität des menschlichen Gehirns durch den Einsatz von Biotechnologie führt zum gleichen Ergebnis. Dies wird die technologische Singularität werden, die einige Wissenschaftler in naher Zukunft vorhersagen. V. Widge glaubt, dass dies bereits 2030 geschehen wird, und R. Kurzweil verschiebt die Revolution auf das Jahr 2045.

Singularität in der Biologie

In der Biologie wird dieses Konzept nicht oft verwendet. Es wird normalerweise als Verallgemeinerung im Evolutionsprozess verwendet.

Schlussfolgerungen und Bedeutung

Wenn die mathematischen, technischen und biologischen Singularitäten durchaus greifbare Parameter haben, dann ist die Situation mit den Merkmalen anderer Optionen komplizierter. Es ist schwierig, mit Konzepten zu operieren, die nicht „erfühlt“ und bewertet werden können. Mathematische Berechnungen sind eine zuverlässige Sache, aber nur, wenn die Forschungsgegenstände materiell genug sind. Die Singularität ist anders. Es ist nicht nur nicht materiell, sondern auch noch nicht bewiesen. Daher wirft seine Anwendung, auch wenn sie hypothetisch ist, Fragen auf. Wenn du hindurchreisen kannst, um in andere Dimensionen zu gelangen, wie kannst du dann ganz bleiben, wenn du durch die Gravitations-Scylla und Charybdis gehst? Wahrscheinlich werden Physiker irgendwann Antworten auf alle Fragen finden. Und wir werden sie definitiv erkennen und endlich verstehen, was eine Singularität ist.

Hallo, liebe Leser der Blog-Site. In Gesprächen mit Menschen hören wir manchmal selten, für die meisten unverständlich, das Wort „Singularität“. Um seiner eigenen Person Bedeutung zu verleihen, verwendet eine Person solche Wörter, kann aber nicht genau beantworten, was sie bedeuten.

Eine wörtliche Übersetzung aus dem Lateinischen ist leicht zu finden. Wort Einzahl bedeutet speziell, einzigartig, zeigt an Einzigartigkeit jedes Ereignis, Sein, Phänomen. Es scheint viel einfacher, aber hier beginnt die Unverständlichkeit.

Dieses Konzept ist in verschiedenen Bereichen des menschlichen Lebens, der Wissenschaft, der Technologie und der Philosophie anwendbar. In jedem Bereich wird es speziell erklärt. Für einen unerfahrenen Bürger scheint es, als würden wir über völlig verschiedene Dinge sprechen. Es gibt keine Übereinstimmung, nicht einmal im Verständnis der Bedeutung des Wortes.

Bedeutung des Wortes

Wie mit Absicht, um alles völlig durcheinander zu bringen, haben sich wissenschaftliche Köpfe mehrere ausgedacht Sorten der Singularität. Laut Wikipedia gibt es:

Singularität im Klartext

Ja, einfacher geht es nicht! Sie sind verwirrt und empört: „Was ist das, lässt sich nicht mit einfachen Worten erklären?“. Lass es uns versuchen. Nehmen wir zum Beispiel die beiden oben genannten Interpretationen und erklären das alles so einfach wie möglich (an den Fingern):

Schwere. Angenommen, es gibt eine offene Luke auf der Straße. Die Straßenoberfläche ist der Raum, der Rand der Luke ist der Ereignishorizont (die Grenze der Raumkrümmung oder besser gesagt der Ereignishorizont). Sie sehen nicht alles, was in der Grube passiert, aber das Loch stellt ein einzigartiges Objekt dar. Sie werfen einen Stein in die Luke, Sie haben ihn verfehlt - der Stein blieb in unserem Raum. Der nächste - sie trafen, er flog über die Grenze des Horizonts und geriet in die Zone der Singularität (Unsicherheit);
Kosmologisch. Stellen Sie sich eine kleine Kugel mit unrealistisch hoher Temperatur und Dichte vor. Irgendwann explodiert es mit großer Wucht und bildet einen Haufen aus Splittern, Partikeln und Staub. Stellen Sie sich vor, was mit dem Ball zum Zeitpunkt der Explosion passiert ist? Dies wird als Singularitätszustand bezeichnet.

Zwei gängige Interpretationen dieses Phänomens können seine Hauptunterscheidungsmerkmale beschreiben:

Die Übereinstimmung von etwas mit mindestens einem dieser Zeichen zeigt an, dass Sie eine Singularität vor sich haben.

Aus beiden Gründen zeigt sich die Singularität am deutlichsten schwarzes Loch. Es wird angenommen, dass in seinem Zentrum die Indikatoren aller physikalischen Eigenschaften unendlich sind, die Gesetze der Physik nicht gelten und die Zeit nach uns unbekannten Regeln fließt. Da es unmöglich ist, das Verhalten eines solchen Objekts vorherzusagen, verliert die Vorhersage jegliche Bedeutung.

Glaubst du, dass alles, was weit in der Zeit, im Raum beschrieben wird, uns nichts angeht? Ich werde Ihnen zeigen, dass es nicht so ist.

Einzigartigkeit in unserem Leben

Die meisten Prozesse in Gesellschaft, Wirtschaft, Geschichte und Biologie finden unter Bedingungen statt, die einen Singularitätspunkt zu einem bestimmten Zeitpunkt implizieren. Die Entwicklung dieses Phänomens basiert auf dem Gesetz der Übertreibung. Gerade jetzt nähern sich um uns herum Prozesse, die vor Milliarden von Jahren entstanden sind.

Die Menschheit und das globale Produkt

Das verständlichste Beispiel ist die Zunahme der Erdbevölkerung und die Zunahme der weltweiten Reserven des Produkts. Beziehungen, die durch bestimmte Bedingungen bedingt sind, wurden über Tausende von Jahren aufgebaut. Wenn wir diese Abhängigkeiten jetzt unverändert lassen und in die Zukunft fortsetzen, werden wir sehr bald an den Punkt der Singularität kommen.

Die Zahl der Menschen auf dem Planeten und das Weltprodukt werden seit langem von Wissenschaftlern berechnet. Vor zwei oder drei Jahrzehnten wurde klar, dass die Zahl der Menschen gemäß einer quadratischen Übertreibung zunimmt und die Produktion - gemäß einer einfachen, dh zweimal langsamer.

Prognosen zeigten, dass im Zeitraum von 2005 bis 2020 die Zeit des Singularitätspunktes kommen wird. Das heißt, heute befinden wir uns innerhalb dieses Phänomens. Sag mir, beobachtest du allumfassende Fülle und Reichtum um dich herum?

Und wieder die technologische Singularität

Der Punkt, an dem die Komplexität der Entwicklung von Technologien für das menschliche Verständnis unzugänglich sein wird, ist nicht mehr weit entfernt. Vermutlich werden wir ihr von 2030 bis 2045 begegnen. Das Szenario wahrscheinlicher Ereignisse ist jedem aus Science-Fiction-Filmen bekannt.

Biologische Revolutionen

Singularität in der Biologie der Erde ist eine gemeinsame Sache. mit hyperbolischem Bevölkerungswachstum bis zu einem bestimmten Punkt auftrat. Zum Beispiel waren Dinosaurier die Herren des Planeten. Aber nach den revolutionären Ereignissen verschwanden sie fast. Es sei denn, Krokodile besetzen bescheiden eine unbedeutende Nische.

Als Experten die Periodizität der Daten der Revolutionen analysierten, die in der Biologie stattfanden, und diese Informationen dann um menschliche Unruhen ergänzten, bemerkten sie eine klare Verbindung mit dem Singularitätspunkt in der Region von 2010-2050.

Singularität in der Geschichte

Dieses Phänomen kam recht häufig vor. Erinnern Sie sich an die Geschichte der Staaten und Imperien. Beispielsweise entwickelte sich das antike Rom zu Beginn seiner Entwicklung nach dem Gesetz der Übertreibung.

Das Bevölkerungswachstum verursachte die Beschlagnahme von Territorien und bestimmte einige technische Entwicklungen. Dies dauerte bis zu mehreren Seuchen, bei denen bis zu einem Drittel der Bevölkerung starb. Danach dachte die Menschheit über die Einwohnerdichte an einem Ort nach.

Versuche, die Zahl der Menschen wiederherzustellen, ermöglichten es dem Reich, noch einige Zeit durchzuhalten. Trotzdem zerbrach der Staat aus vielen Gründen. Der Algorithmus ist also ein starker Anstieg, ein Ungleichgewicht, kleine Schwankungen, eine Änderung des Ressourcengleichgewichts und der Tod.

Ähnliche Prädestinationen wurden gefunden in:

Wissenschaft;
Demographie;
Wirtschaft;
Kultur und andere Bereiche des menschlichen Lebens.

Ergebnisse

In dem angegebenen historischen Zeitraum sollte etwas unglaublich Wichtiges passieren, vergleichbar mit der Freisetzung lebender Organismen an Land, das die Zukunft radikal verändern wird.

Sagen Sie einfach nicht, dass alles verloren ist und wir für das Schicksal der Krokodile bestimmt sind. Schließlich ist Rom nicht spurlos verschwunden. Ja, wir sind anders als Dinosaurier. Wir können denken, Vorhersagen treffen, nach Lösungen suchen und die Umwelt an unsere Bedürfnisse anpassen.

Die Hauptsache ist, zu verstehen, was passiert, und die Bedingungen des Spiels rechtzeitig zu ändern, um irreversible Prozesse zu verhindern.

Denn die Singularität ist ein Punkt unendlicher Dichte, an dem alle Gesetze der Physik verletzt werden und die Annahmen über die Zukunft unbekannt sind. Alles darin verliert seine Bedeutung. Und das Verständnis dessen, was passiert, spielt auch keine Rolle.

Viel Erfolg! Bis bald auf der Blog-Seiten-Website

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Wir wenden uns der Betrachtung der wichtigsten Frage der Kosmologie zu – der Frage nach dem Beginn der kosmologischen Expansion, der Frage nach der Singularität. Das verallgemeinernde Ergebnis der vorangegangenen Abschnitte ist, dass sich das Universum isotrop und gleichmäßig ausdehnt, zumindest ab dem Zeitpunkt, an dem die Gleichheit erfüllt war und mit hoher Wahrscheinlichkeit viel früher durch das Friedman-Modell beschrieben wurde, ausgehend von der Epoche der Synthese chemischer Elemente, d. h., d. h. von den ersten Sekunden der Ausdehnung und von Ordnungsdichten

Was war vorher? Hat sich das Friedmannsche Universum ausgehend von der Singularität (oder zumindest ab dem "Planckschen" Moment) ausgedehnt, oder war die Frühepoche im Wesentlichen nicht-Friedmannsches? Hat die Materie des Universums eine unendlich größere Dichte (oder zumindest das "Plancksche" Moment) durchlaufen? Dichte oder ist die Kontraktion des Universums in einer noch früheren Epoche einer Expansion bei endlicher Dichte gewichen [siehe zum Beispiel Alfven (1971)]?

Nach Friedmans Modell ging die Expansion des Universums von einer Singularität aus. Seit den 1930er Jahren stellt sich die Kosmologie jahrzehntelang der Frage, ob das Vorhandensein einer Singularität zu Beginn der Expansion eine besondere Eigenschaft des Friedman-Modells (und anderer hinreichend symmetrischer Modelle) ist, verschwindet die Singularität bei kleinen eigentümlichen Materie- oder Rotationsgeschwindigkeiten werden eingeführt?

Die Analogie mit dem mechanischen Problem der Ausdehnung des Balls in Newtons Theorie stützte solche Annahmen. In der Tat, wenn wir in der Newtonschen Theorie die Expansion von Gravitationsteilchen betrachten, die gleichzeitig entlang der Radien von einem Punkt ausfliegen, dann geht die Expansion von einer Singularität aus. Bei kleinen eigentümlichen Geschwindigkeiten fliegen die Punkte jedoch in der Nähe des Zentrums aneinander vorbei, die Teilchendichte ist immer endlich und es gibt keine Singularitäten.

entstehen. Vielleicht ist eine ähnliche Situation im kosmologischen Problem von Einsteins Theorie möglich?

Hier ist es wesentlich, auf einen Umstand hinzuweisen, der von Lifshitz und Khalatnikov (1963a, b) betont wird. Wenn es in der Vergangenheit keine Singularität gab und der beobachteten Expansion des Universums in der Vergangenheit eine Kontraktion vorausging, dann muss das kosmologische Modell, das den Durchgang der Materie durch das Dichtemaximum und die anschließende Expansion beschreibt, stabil sein, d Lösung“ in der Terminologie von Lifshitz und Khalatnikov. Mit anderen Worten, es gebe ein Modell ohne Singularität, das die Kompression von Materie auf eine endliche Dichte (ohne Singularität) und dann ihre Expansion beschreibt, und lass eine kleine Änderung der Modellparameter in der Kompressionsphase zum Auftreten von führen eine Singularität. Dann ist dieses Modell natürlich nicht realisierbar, da es immer zufällige Schwankungen geben wird, die das Modell von einer Lösung ohne Singularität wegführen. Daher sollte eine Lösung ohne Singularität nicht außergewöhnlich, nicht entartet, sondern allgemein sein, um den Anspruch zu erheben, das wirkliche Universum zu beschreiben.

Geht die Erweiterung jedoch von einer Singularität aus, so entfällt die Forderung nach Allgemeingültigkeit der Lösung nahe der Singularität. Tatsächlich sind in diesem Fall die Anfangsbedingungen, die die Lösung bestimmen, durch einige unbekannte Prozesse bei großen Krümmungen der Raumzeit gegeben, d. h. unter Bedingungen, die von der modernen Theorie nicht beschrieben werden. Möglicherweise führen die Prozesse dabei zu besonderen Anfangsbedingungen für die Expansion des Universums, beispielsweise zu nahezu vollständiger Homogenität und Isotropie [vgl. Peebles (1971a)]. Selbst wenn also bewiesen werden könnte, dass die allgemeine Lösung keine Singularität enthält, würde dies nicht bedeuten, dass die Entwicklung nicht von der Singularität ausgeht.

Die Kosmologie stand also vor zwei verschiedenen Fragen: 1) Gibt es eine allgemeine (im Sinne von „stabil“) kosmologische Lösung ohne Singularität? und 2) gab es in der Vergangenheit eine Singularität unter den Bedingungen, die im realen Universum stattfinden?

Ende der 1960er Jahre wurde die zweite Frage positiv beantwortet (Penrose, Hawking, Geroch). Es ist bewiesen, dass die Expansion des Universums mit einer Singularität begann (wenn natürlich GR gilt, aber die Änderung von GR selbst, wenn sie mit einer großen Krümmung verbunden ist, erfordert "fast" eine Singularität), aber wie genau die Expansion in der Nähe der Singularität - nach Friedman oder auf komplexere Weise - vor sich ging, wurde nicht festgestellt. Nach diesen Arbeiten verschwand die Schärfe der ersten Frage für die Kosmologie. Tatsächlich entspricht die Struktur der Lösung in der Nähe der Singularität nicht unbedingt der allgemeinen Lösung, und das Problem tritt auf: in irgendeiner Weise

die wahre Natur des Beginns der Expansion des realen Universums feststellen.

1972 konstruierten Belinsky, Lifshitz und Khalatnikov nach langer Arbeit eine allgemeine (stabile) Lösung mit einer Singularität, d.h. sie gaben eine positive Antwort auf die erste Frage.

Die allgemeine Lösung erwies sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften qualitativ als gleich der Lösung nahe der Singularität für das „gemischte“ Weltmodell (siehe §§ 4 und 5 von Kap. 21).

In der weiteren Präsentation werden wir uns auf den Nachweis des Vorhandenseins einer Singularität in der Vergangenheit im Universum und auf physikalische Prozesse in der Nähe der Singularität selbst konzentrieren. Es ist zu hoffen, dass eine Analyse dieser Prozesse und ihrer Folgen es in Zukunft ermöglichen wird, die wahre Natur der Expansion des Universums in den frühesten Stadien zu ermitteln, bei Dichten, die die nukleare wesentlich übersteigen.

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