De acordo com esse modelo, nosso mundo surgiu há cerca de treze bilhões de anos como resultado do Big Bang de um certo estado superdenso do nosso Universo - uma singularidade. O que precedeu esse evento, como surgiu a singularidade, de onde veio sua massa, era completamente incompreensível - não há teoria de tal estado. O futuro destino do Universo em expansão também não estava claro: se sua expansão continuaria para sempre ou se seria substituída por contração até a próxima singularidade.

A teoria da cosmogênese, desenvolvida recentemente por pesquisadores russos e relatada pela primeira vez em maio do ano passado em uma conferência internacional no Instituto de Física. P. N. Lebedev da Academia Russa de Ciências, mostra que a singularidade é um produto natural da evolução de uma estrela massiva que se transformou em um buraco negro. Um único buraco negro pode dar origem a vários "filhos" em universos subsequentes. E este processo continua continuamente, ramificando-se, como a Árvore do Mundo das lendas escandinavas. O hiperuniverso de muitas folhas é infinito tanto no espaço quanto no tempo.

Árvore do mundo

"No princípio era o Verbo, e o Verbo estava com Deus, e o Verbo era Deus." De forma breve e clara, mas incompreensível. Felizmente, além da teologia, há também a cosmologia - a ciência do universo. A imagem cosmológica do mundo é, por definição, objetiva, de natureza não religiosa e, portanto, interessante para qualquer pessoa que aprecie os fatos.

Até o início do século 20, a cosmologia permaneceu uma disciplina especulativa: ainda não era a física baseada na experiência empírica e experimento independente, mas a filosofia natural baseada nas visões, inclusive religiosas, do próprio cientista. Foi somente com o advento da moderna teoria da gravidade, conhecida como relatividade geral, que a cosmologia recebeu uma base teórica. Numerosas descobertas em astronomia e física deram à nossa heroína uma justificativa observacional. A experiência numérica tornou-se uma ajuda importante para a teoria e as observações. Observe que, ao contrário de algumas afirmações, não há contradições entre a relatividade geral, por um lado, e observações e experimentos, por outro. De fato, com base na relatividade geral, eles não apenas calcularam a deflexão de um feixe de luz no campo gravitacional do Sol, que, francamente, não é fundamentalmente importante para a economia nacional, mas também calcularam as órbitas de planetas e naves espaciais, bem como os parâmetros técnicos dos aceleradores, incluindo o Large Hadron Collider. Claro, isso não significa que a relatividade geral seja a verdade última. No entanto, a busca por uma nova teoria da gravidade vai no sentido de generalizar a existente, e não abandoná-la.

A definição que demos à cosmologia - a ciência do universo - é bastante ampla. Como bem observou Arthur Eddington, toda ciência é cosmologia. Portanto, é lógico explicar com exemplos específicos quais tarefas e problemas estão relacionados aos cosmológicos.

Construir um modelo do Universo é, obviamente, uma tarefa cosmológica. Agora é geralmente aceito que o universo é homogêneo e isotrópico em grandes escalas (superiores a 100 megaparsecs). Este modelo é chamado de modelo de Friedman em homenagem ao seu descobridor Alexander Fridman. Em pequena escala, a matéria do Universo está sujeita ao processo de torção gravitacional devido à instabilidade gravitacional - a força de atração que atua entre os corpos tende a aproximá-los. Em última análise, isso leva ao surgimento da estrutura do Universo - galáxias, seus aglomerados, etc.

O Universo não é estacionário: está em expansão e com aceleração (inflacionária) devido à presença de energia escura nele - um tipo de matéria cuja pressão é negativa. O modelo cosmológico é descrito por vários parâmetros. Estes são a quantidade de matéria escura, bárions, neutrinos e o número de suas variedades, os valores da constante de Hubble e curvatura espacial, a forma do espectro de perturbações de densidade inicial (conjuntos de perturbações de diferentes tamanhos), a amplitude das ondas gravitacionais primárias, o redshift e a profundidade óptica da ionização secundária do hidrogênio, além de outros parâmetros menos importantes. Cada um deles merece uma discussão separada, a definição de cada um é um estudo completo, e tudo isso se relaciona com as tarefas da cosmologia. O parâmetro cosmológico não é apenas um número, mas também os processos físicos que regem o mundo em que vivemos.

PRIMEIRO UNIVERSO

Talvez um problema cosmológico ainda mais importante seja a questão da origem do Universo, do que estava no Princípio.

Durante séculos, os cientistas imaginaram o universo como eterno, infinito e estático. O fato de não ser assim foi descoberto nos anos 20 do século 20: a não estacionariedade das soluções das equações gravitacionais foi teoricamente revelada pelo já mencionado A. A. Fridman, e as observações (com a interpretação correta) foram feitas quase simultaneamente por vários astrônomos. É metodicamente importante enfatizar que o próprio espaço não se expande em qualquer lugar: estamos falando de expansão volumétrica de um fluxo de matéria em grande escala, espalhando-se em todas as direções. Falando do Início do Universo, temos em mente a questão da origem deste fluxo cosmológico, ao qual foi dado um impulso inicial de expansão e uma certa simetria.

A ideia de um Universo eterno e infinito, através dos trabalhos de muitos investigadores do século XX, por vezes contrários às suas convicções pessoais, perdeu terreno. A descoberta da expansão global do Universo significou não apenas que o Universo não é estático, mas também que sua idade é finita. Depois de muito debate sobre o que é, e muitas descobertas observacionais importantes, o número foi estabelecido: 13,7 bilhões de anos. Isso é muito pouco. Afinal, há dois bilhões de anos, algo já estava rastejando na Terra. Além disso, o raio do Universo visível é muito grande (alguns gigaparsecs) para uma idade tão pequena. Aparentemente, o enorme tamanho do Universo está associado a outro estágio - inflacionário - de expansão que ocorreu no passado e foi substituído por um estágio de expansão lenta, controlado pela gravidade da radiação e da matéria escura. Mais tarde, inicia-se outra etapa da expansão acelerada do Universo, que já é controlada pela energia escura. As equações GR mostram que com a expansão acelerada, o tamanho do fluxo cosmológico aumenta muito rapidamente e acaba sendo maior que o horizonte de luz.

A idade do Universo é conhecida com uma precisão de 100 milhões de anos. Mas, apesar de uma precisão tão "baixa", nós (a humanidade) podemos rastrear com confiança os processos que ocorreram extremamente próximos no tempo do "momento do nascimento do Universo" - cerca de 10^-35 segundos. Isso é possível porque a dinâmica dos processos físicos que ocorrem a distâncias cosmológicas está conectada apenas com a gravidade e, nesse sentido, é absolutamente clara. Com a teoria (GR) disponível, podemos extrapolar o Modelo Padrão Cosmológico no Universo moderno para o passado e "ver" como era em sua juventude. E parecia simples: o Universo primitivo era estritamente determinado e era um fluxo laminar de matéria se expandindo a partir de densidades super altas.

SINGULARIDADE

Treze bilhões de anos são cerca de 10^17 segundos. E o início "natural" do fluxo cosmológico com tal extrapolação coincide com o tempo de Planck - 10^-43 segundos. Total 43 + 17 = 60 pedidos. É inútil falar sobre o que aconteceu antes de 10^-43 segundos, pois, devido aos efeitos quânticos, a escala de Planck é o intervalo mínimo para o qual o conceito de continuidade e extensão é aplicável. Neste ponto, muitos pesquisadores desistiram. Tipo, é impossível ir mais longe, porque não temos teoria, não conhecemos a gravidade quântica, etc.

No entanto, não se pode dizer que o universo “nasceu” exatamente nessa idade. É bem possível que o fluxo de matéria "escorregou" pelo estado superdenso em um tempo muito curto (planckiano), ou seja, algo o obrigou a passar por esse estágio de curto prazo. E então não há impasse lógico com o tempo de Planck e a constante de Planck. Você só precisa entender o que poderia preceder o início da expansão cosmológica, por qual motivo e o que “arrastou” a matéria gravitacional pelo estado de superalta densidade.

A resposta a essas perguntas, em nossa opinião, está na natureza da gravidade. Os efeitos quânticos desempenham aqui um papel secundário, modificando e modificando o conceito de matéria superdensa em um curto intervalo de tempo. É claro que hoje não conhecemos todas as propriedades da matéria efetiva [essa “matéria” é chamada de efetiva porque também inclui parâmetros que descrevem possíveis desvios da gravidade da relatividade geral. A esse respeito, lembramos que a ciência moderna opera com conceitos físicos separados de matéria e espaço-tempo (gravidade). Em condições extremas próximas à singularidade, tal divisão é condicional - daí o termo "matéria efetiva".] em condições extremas. Mas, dado o curto período deste estágio, somos capazes de descrever todo o processo dinâmico, contando apenas com as conhecidas leis de conservação de energia e momento e assumindo que elas sempre se mantêm no espaço-tempo métrico médio, não importa qual seja a a "teoria de tudo" quântica será criada no futuro.

COSMOGÊNESE

Na história da cosmologia, houve várias tentativas de contornar o problema da singularidade e substituí-lo, por exemplo, pelo conceito do nascimento do Universo como um todo. De acordo com a hipótese do nascimento do “nada”, o mundo surgiu de um “ponto”, uma singularidade, uma área superdensa com uma simetria muito alta e tudo mais que você possa imaginar (metaestabilidade, instabilidade, transição de sub-barreira quântica para simetria de Friedmann, etc.). Nesta abordagem, o problema da singularidade não foi resolvido, e a singularidade foi postulada na forma de um estado inicial do tipo vácuo superdenso (ver "Ciência e Vida" No. 11, 12, 1996).

Houve outras tentativas de "fugir" da singularidade, mas seu preço sempre foi alto. Em vez disso, era necessário postular construções obscuras de estados superdensos (subplanckianos) da matéria, ou “rejeições” do fluxo de Friedmann de alta densidade (mudança de compressão para expansão), ou outras receitas hipotéticas para o comportamento de altas densidades. matéria de densidade.

Ninguém gosta da Singularidade. A imagem física do mundo pressupõe um mundo em mudança, em evolução, mas constantemente existente. Propomos dar uma olhada diferente na singularidade e partir do fato de que os estados altamente comprimidos que um sistema dinâmico de interação gravitacional (no caso mais simples, uma estrela) entra e passa sob certas condições são objetivos e naturais para a gravidade. Regiões singulares como pontes ou correntes temporárias conectam domínios mais extensos do nosso mundo. Se é assim, então precisamos entender o que faz com que a matéria caia em estados singulares especiais e como ela sai deles.

Como já mencionado, a expansão cosmológica começa com uma singularidade cosmológica - mentalmente voltando no tempo, inevitavelmente chegamos a um momento em que a densidade do Universo se volta para o infinito. Podemos considerar esta proposição como um fato óbvio baseado em QSM e GR. Tomando isso como certo, vamos nos fazer uma simples pergunta de acompanhamento: como surge uma singularidade, como a matéria gravitacional entra em um estado supercomprimido? A resposta é surpreendentemente simples: isso é causado pelo processo de contração gravitacional de um sistema massivo (uma estrela ou outro sistema astrofísico compacto) no final de sua evolução. Como resultado do colapso, forma-se um buraco negro e, como resultado, sua singularidade. Ou seja, o colapso termina com uma singularidade e a cosmologia começa com uma singularidade. Argumentamos que esta é uma cadeia de um único processo contínuo.

A questão da origem do Universo, após várias tentativas, tentativas de formulá-lo e várias interpretações, adquiriu uma sólida base científica no século XXI na forma de QSM e sua inequívoca extrapolação para o passado nos moldes da relatividade geral. Começando por considerar este problema do único Universo que conhecemos, não devemos esquecer o princípio físico geral associado ao nome de Nicolau Copérnico. Acreditava-se uma vez que a Terra é o centro do universo, depois foi associada ao Sol, mais tarde descobriu-se que nossa galáxia não é a única, mas apenas uma entre muitas (apenas galáxias visíveis são quase um trilhão) . É lógico supor que existem muitos universos. O fato de ainda não sabermos nada sobre os outros se deve ao grande tamanho do nosso Universo - sua escala obviamente excede o horizonte de visibilidade.

Tamanho (escala) do Universoé o tamanho da área causalmente conectada, esticada durante sua expansão. O tamanho da visibilidade é a distância que a luz “percorreu” durante a existência do Universo, pode ser obtida multiplicando a velocidade da luz e a idade do Universo. O fato de o Universo ser isotrópico e homogêneo em grandes escalas significa que as condições iniciais em regiões do Universo distantes umas das outras eram semelhantes.

Já mencionamos que essa grande escala se deve à presença de um estágio inflacionário de expansão. No período pré-inflacionário do Big Bang, o fluxo em expansão poderia ser muito pequeno e não ter as características do modelo de Friedman. Mas como transformar um pequeno fluxo em grande não é um problema de cosmogênese, mas uma questão técnica da existência de um estágio final intermediário de inflação que pode expandir o fluxo, assim como a superfície de um balão inflado aumenta. O principal problema da cosmogênese não está no tamanho do fluxo cosmológico, mas em sua aparência. Assim como existe um método bem conhecido para a formação de fluxos de matéria em contração (colapso gravitacional), deve haver um mecanismo físico bastante geral e simples para a geração gravitacional ("ignição") de fluxos de matéria em expansão.

SINGULARIDADES INTEGRÁVEIS

Então, como penetrar “além” da singularidade? E o que está por trás disso?

É conveniente estudar a estrutura do espaço-tempo lançando mentalmente partículas de teste grátis nele e observando como elas se movem. De acordo com nossos cálculos, trajetórias geodésicas [as distâncias mais curtas no espaço de uma determinada estrutura. No espaço euclidiano são linhas retas, no espaço riemanniano são arcos de um círculo, etc.] de partículas de teste propagam-se livremente no tempo através de regiões singulares de uma determinada classe, que chamamos de singularidades integráveis. (A densidade ou pressão diverge na singularidade, mas a integral de volume dessas quantidades é finita: a massa da singularidade integrável tende a zero, pois ocupa um volume insignificante.) Tendo passado pelo buraco negro, as trajetórias geodésicas se encontram no espaço -domínio do tempo (do francês domaine - area , posse) de um buraco branco que se expande com todos os sinais de um fluxo cosmológico. Essa geometria do espaço-tempo é unificada e é lógico defini-la como um buraco preto e branco. O domínio cosmológico do buraco branco está localizado no futuro absoluto em relação ao domínio pai do buraco negro, ou seja, o buraco branco é uma continuação natural e produto do buraco negro.

Este novo conceito nasceu muito recentemente. Os criadores anunciaram sua aparição em maio de 2011 em uma conferência científica dedicada à memória de A. D. Sakharov, realizada no carro-chefe da física russa - o Instituto de Física. P. N. Lebedev da Academia Russa de Ciências (FIAN).

Como isso é possível e por que tal mecanismo de cosmogênese não foi considerado antes? Vamos começar respondendo a primeira pergunta.

Encontrar um buraco negro não é difícil, existem muitos deles por aí - vários por cento de toda a massa das estrelas do Universo está concentrada em buracos negros. O mecanismo de sua ocorrência também é bem conhecido. Muitas vezes você pode ouvir que vivemos em um cemitério de buracos negros. Mas isso pode ser chamado de cemitério (o fim da evolução), ou outras zonas (domínios) do nosso mundo complexo, outros universos começam além dos horizontes de eventos dos buracos negros?

Sabemos que dentro de um buraco negro existe uma região especial e singular, na qual toda a matéria capturada por ele “cai”, e onde o potencial gravitacional corre para o infinito. No entanto, a natureza não tolera não apenas o vazio, mas também o infinito ou a divergência (embora ninguém tenha cancelado grandes números). Conseguimos “atravessar” a região de singularidade exigindo que os potenciais gravitacionais (métricos) nela e, portanto, as forças de maré, permanecessem finitos.

A divergência de potenciais métricos pode ser eliminada suavizando a singularidade com a ajuda da matéria efetiva, que a enfraquece, mas não a elimina completamente. (Tal singularidade integrável pode ser comparada ao comportamento da matéria escura ao se aproximar do centro de uma galáxia. Sua densidade tende ao infinito, mas a massa contida dentro de um raio decrescente tende a zero devido ao fato de que o volume dentro desse raio diminui mais rápido do que a densidade aumenta. Tal analogia não é absoluta: a cúspide galáctica, uma região de densidade divergente, é uma estrutura espacial, e uma singularidade de buraco negro ocorre como um evento no tempo). as forças de maré que atuam sobre uma partícula são finitas porque dependem da massa total. Isso permite que as partículas de teste passem livremente pela singularidade: elas se propagam no espaço-tempo contínuo e não são necessárias informações sobre a distribuição de densidade ou pressão para descrever seu movimento. E com a ajuda de partículas de teste, você pode descrever a geometria - construir sistemas de referência e medir os intervalos espaciais e temporais entre pontos e eventos.

BURACOS PRETOS E BRANCOS

Então, você pode passar pela singularidade. E, consequentemente, é possível “ver” o que está por trás disso, através de que tipo de espaço-tempo nossas partículas de teste continuam a se propagar. E eles caem na região do buraco branco. As equações mostram que ocorre uma espécie de oscilação: o fluxo de energia da região de contração do buraco negro continua na região de expansão do buraco branco. O momento não pode ser escondido: o colapso é invertido em um anticolapso com o momento total preservado. E este já é um universo diferente, pois um buraco branco cheio de matéria tem todas as propriedades de um fluxo cosmológico. Isso significa que nosso Universo, talvez, seja o produto de algum outro mundo.

O quadro que segue das soluções recebidas das equações da gravitação, desenvolve tal. A estrela-mãe colapsa no universo-mãe e forma um buraco negro. Como resultado do colapso, forças gravitacionais de maré destrutivas surgem ao redor da estrela, que deformam e quebram o vácuo, dando origem à matéria no espaço anteriormente vazio. Essa matéria da região singular do buraco preto e branco cai em outro universo, expandindo-se sob a ação de um impulso gravitacional recebido durante o colapso da estrela-mãe.

A massa total de partículas em um universo tão novo pode ser arbitrariamente grande. Pode exceder significativamente a massa da estrela-mãe. Neste caso, a massa do buraco negro formado (pai), medida por um observador localizado no espaço exterior do universo pai, é finita e próxima da massa da estrela colapsada. Não há paradoxo aqui, pois a diferença de massa é compensada pela energia de ligação gravitacional, que tem sinal negativo. Podemos dizer que o novo universo está no futuro absoluto em relação ao universo pai (antigo). Em outras palavras, você pode ir lá, mas não pode voltar.

COSMOLOGIA ASTROGÊNICA, OU UM UNIVERSO MÚLTIPLO

Um mundo tão complexo se assemelha à Árvore da Vida (uma árvore genealógica, se preferir). Se no processo de evolução buracos negros aparecem no Universo, então através deles as partículas podem entrar em outros ramos (domínios) do universo - e assim por diante ao longo das guirlandas temporárias de buracos pretos e brancos. Se os buracos negros não são formados por uma razão ou outra (por exemplo, as estrelas não nascem), surge um beco sem saída - a gênese (criação) de novos universos nessa direção é interrompida. Mas sob circunstâncias favoráveis, o fluxo da "vida" pode recomeçar e florescer mesmo a partir de um buraco negro - para isso é necessário criar condições para a produção de novas gerações de buracos negros em universos subsequentes.

Como podem surgir “circunstâncias favoráveis” e de que dependem? Em nosso modelo, isso se deve às propriedades da matéria efetiva, que nasce sob a ação da gravidade extrema próxima às singularidades dos buracos preto e branco. Na verdade, estamos falando de transições de fase não lineares em um sistema material quântico-gravitacional, que têm o caráter de flutuações e, portanto, estão sujeitas a mudanças aleatórias (bifurcação). Seguindo ao contrário do bordão de Einstein, podemos dizer que "Deus joga os dados", e então esses dados (condições iniciais) podem se formar em domínios determinísticos de novos universos, ou podem permanecer "embriões" não desenvolvidos da cosmogênese. Aqui, como na vida, existem leis de seleção natural. Mas este é o assunto de mais pesquisas e trabalhos futuros.

COMO EVITAR A SINGULARIDADE

Ao mesmo tempo, o conceito de um universo oscilante, ou cíclico, foi proposto, com base na hipótese do “salto”. Segundo ela, o Universo existe na forma de um número infinito de ciclos. Sua expansão é substituída por contração quase até uma singularidade, seguida de expansão novamente, e vários desses ciclos vão para o passado e para o futuro. Não é um conceito muito claro, porque, em primeiro lugar, não há evidências observacionais de que um dia a expansão do nosso mundo será substituída por contração e, em segundo lugar, o mecanismo físico que faz com que o Universo faça tais movimentos oscilatórios não é claro.

Outra abordagem sobre a origem do mundo está associada à hipótese de um universo de autocura, proposta há muitos anos pelo cientista russo A.D. Linde, que vive nos EUA. De acordo com essa hipótese, o mundo pode ser representado como um caldeirão fervente. Globalmente, o Universo é uma sopa quente com alta densidade de energia. Aparecem bolhas nele, que colapsam ou se expandem e, sob certas condições iniciais, por um longo tempo. Supõe-se que as características (qualquer uma que você possa imaginar, incluindo um conjunto de constantes fundamentais) das bolhas de mundos emergentes tenham algum espectro e um amplo alcance. Muitas questões surgem aqui: de onde veio esse “caldo”, quem o preparou e o que o mantém, com que frequência as condições iniciais são realizadas, levando ao aparecimento de universos do nosso tipo, etc.

COMO SINGULARIDADES INTEGRÁVEIS PODEM SE FORMAR

À medida que nos aproximamos da singularidade, as crescentes forças de maré agem no vácuo dos campos físicos, deformando-o e quebrando-o. Há, como se costuma dizer, a polarização do vácuo e o nascimento de partículas de matéria do vácuo - sua quebra.

Essa reação do vácuo físico à ação externa intensa de um campo gravitacional em rápida mudança é bem conhecida. Este é, de fato, o efeito da gravidade quântica - as tensões gravitacionais são transformadas em campos materiais, há uma redistribuição dos graus de liberdade físicos. Hoje, tais efeitos podem ser calculados na aproximação de campo fraco (o chamado limite semiclássico). No nosso caso, estamos falando de poderosos processos quântico-gravitacionais não lineares, onde é necessário levar em conta a influência gravitacional inversa da matéria efetiva nascida na evolução da métrica média que determina as propriedades do espaço-quadrado. tempo (quando os efeitos quânticos na gravidade se tornam fortes, a métrica se torna “trêmula” e só podemos falar sobre isso no sentido médio).

Essa direção, é claro, requer mais pesquisas. No entanto, já se pode supor que, de acordo com o princípio de Le Chatelier, a influência inversa levará a uma reestruturação do espaço métrico de tal forma que o crescimento das forças de maré, que provoca o nascimento ilimitado da matéria efetiva, será interrompido e, consequentemente, , os potenciais métricos deixarão de divergir e permanecerão finitos e contínuos.

Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas Vladimir Lukash,
Candidata de Ciências Físicas e Matemáticas Elena Mikheeva,
Candidato a Ciências Físicas e Matemáticas Vladimir Strokov (Centro Astroespacial da FIAN),

O universo em que vivemos é descrito pelo Modelo Padrão Cosmológico. De acordo com esse modelo, nosso mundo surgiu há cerca de treze bilhões de anos como resultado do Big Bang de um certo estado superdenso do nosso Universo - uma singularidade. O que precedeu esse evento, como surgiu a singularidade, de onde veio sua massa, era completamente incompreensível - não há teoria de tal estado. O futuro destino do Universo em expansão também não estava claro: se sua expansão continuaria para sempre ou se seria substituída por contração até a próxima singularidade.

A teoria da cosmogênese, desenvolvida recentemente por pesquisadores russos e relatada pela primeira vez em maio do ano passado em uma conferência internacional no Instituto de Física. P. N. Lebedev da Academia Russa de Ciências, mostra que a singularidade é um produto natural da evolução de uma estrela massiva que se transformou em um buraco negro. Um único buraco negro pode dar origem a vários "filhos" em universos subsequentes. E este processo continua continuamente, ramificando-se, como a Árvore do Mundo das lendas escandinavas. O hiperuniverso de muitas folhas é infinito tanto no espaço quanto no tempo.

Árvore do mundo

"No princípio era o Verbo, e o Verbo estava com Deus, e o Verbo era Deus." De forma breve e clara, mas incompreensível. Felizmente, além da teologia, há também a cosmologia - a ciência do universo. A imagem cosmológica do mundo é, por definição, objetiva, de natureza não religiosa e, portanto, interessante para qualquer pessoa que aprecie os fatos.

Até o início do século 20, a cosmologia permaneceu uma disciplina especulativa: ainda não era a física baseada na experiência empírica e experimento independente, mas a filosofia natural baseada nas visões, inclusive religiosas, do próprio cientista. Foi somente com o advento da moderna teoria da gravidade, conhecida como relatividade geral, que a cosmologia recebeu uma base teórica. Numerosas descobertas em astronomia e física deram à nossa heroína uma justificativa observacional. A experiência numérica tornou-se uma ajuda importante para a teoria e as observações. Observe que, ao contrário de algumas afirmações, não há contradições entre a relatividade geral, por um lado, e observações e experimentos, por outro. De fato, com base na relatividade geral, eles não apenas calcularam a deflexão de um feixe de luz no campo gravitacional do Sol, que, francamente, não é fundamentalmente importante para a economia nacional, mas também calcularam as órbitas de planetas e naves espaciais, bem como os parâmetros técnicos dos aceleradores, incluindo o Large Hadron Collider. Claro, isso não significa que a relatividade geral seja a verdade última. No entanto, a busca por uma nova teoria da gravidade vai no sentido de generalizar a existente, e não abandoná-la.

A definição que demos à cosmologia - a ciência do universo - é bastante ampla. Como bem observou Arthur Eddington, toda ciência é cosmologia. Portanto, é lógico explicar com exemplos específicos quais tarefas e problemas estão relacionados aos cosmológicos.

Construir um modelo do Universo é, obviamente, uma tarefa cosmológica. Agora é geralmente aceito que o universo é homogêneo e isotrópico em grandes escalas (superiores a 100 megaparsecs). Este modelo é chamado de modelo de Friedman em homenagem ao seu descobridor Alexander Fridman. Em pequena escala, a matéria do Universo está sujeita ao processo de torção gravitacional devido à instabilidade gravitacional - a força de atração que atua entre os corpos tende a aproximá-los. Em última análise, isso leva ao surgimento da estrutura do Universo - galáxias, seus aglomerados, etc.

O Universo não é estacionário: está em expansão e com aceleração (inflacionária) devido à presença de energia escura nele - um tipo de matéria cuja pressão é negativa. O modelo cosmológico é descrito por vários parâmetros. Estes são a quantidade de matéria escura, bárions, neutrinos e o número de suas variedades, os valores da constante de Hubble e curvatura espacial, a forma do espectro de perturbações de densidade inicial (conjuntos de perturbações de diferentes tamanhos), a amplitude das ondas gravitacionais primárias, o redshift e a profundidade óptica da ionização secundária do hidrogênio, além de outros parâmetros menos importantes. Cada um deles merece uma discussão separada, a definição de cada um é um estudo completo, e tudo isso se relaciona com as tarefas da cosmologia. O parâmetro cosmológico não é apenas um número, mas também os processos físicos que regem o mundo em que vivemos.

PRIMEIRO UNIVERSO

Talvez um problema cosmológico ainda mais importante seja a questão da origem do Universo, do que estava no Princípio.

Durante séculos, os cientistas imaginaram o universo como eterno, infinito e estático. O fato de não ser assim foi descoberto nos anos 20 do século 20: a não estacionariedade das soluções das equações gravitacionais foi teoricamente revelada pelo já mencionado A. A. Fridman, e as observações (com a interpretação correta) foram feitas quase simultaneamente por vários astrônomos. É metodicamente importante enfatizar que o próprio espaço não se expande em qualquer lugar: estamos falando de expansão volumétrica de um fluxo de matéria em grande escala, espalhando-se em todas as direções. Falando do Início do Universo, temos em mente a questão da origem deste fluxo cosmológico, ao qual foi dado um impulso inicial de expansão e uma certa simetria.

A ideia de um Universo eterno e infinito, através dos trabalhos de muitos investigadores do século XX, por vezes contrários às suas convicções pessoais, perdeu terreno. A descoberta da expansão global do Universo significou não apenas que o Universo não é estático, mas também que sua idade é finita. Depois de muito debate sobre o que é, e muitas descobertas observacionais importantes, o número foi estabelecido: 13,7 bilhões de anos. Isso é muito pouco. Afinal, há dois bilhões de anos, algo já estava rastejando na Terra. Além disso, o raio do Universo visível é muito grande (alguns gigaparsecs) para uma idade tão pequena. Aparentemente, o enorme tamanho do Universo está associado a outro estágio - inflacionário - de expansão que ocorreu no passado e foi substituído por um estágio de expansão lenta, controlado pela gravidade da radiação e da matéria escura. Mais tarde, inicia-se outra etapa da expansão acelerada do Universo, que já é controlada pela energia escura. As equações GR mostram que com a expansão acelerada, o tamanho do fluxo cosmológico aumenta muito rapidamente e acaba sendo maior que o horizonte de luz.

A idade do Universo é conhecida com uma precisão de 100 milhões de anos. Mas, apesar de uma precisão tão "baixa", nós (a humanidade) podemos rastrear com confiança os processos que ocorreram extremamente próximos no tempo do "momento do nascimento do Universo" - cerca de 10^-35 segundos. Isso é possível porque a dinâmica dos processos físicos que ocorrem a distâncias cosmológicas está conectada apenas com a gravidade e, nesse sentido, é absolutamente clara. Com a teoria (GR) disponível, podemos extrapolar o Modelo Padrão Cosmológico no Universo moderno para o passado e "ver" como era em sua juventude. E parecia simples: o Universo primitivo era estritamente determinado e era um fluxo laminar de matéria se expandindo a partir de densidades super altas.

SINGULARIDADE

Treze bilhões de anos são cerca de 10^17 segundos. E o início "natural" do fluxo cosmológico com tal extrapolação coincide com o tempo de Planck - 10^-43 segundos. Total 43 + 17 = 60 pedidos. É inútil falar sobre o que aconteceu antes de 10^-43 segundos, pois, devido aos efeitos quânticos, a escala de Planck é o intervalo mínimo para o qual o conceito de continuidade e extensão é aplicável. Neste ponto, muitos pesquisadores desistiram. Tipo, é impossível ir mais longe, porque não temos teoria, não conhecemos a gravidade quântica, etc.

No entanto, não se pode dizer que o universo “nasceu” exatamente nessa idade. É bem possível que o fluxo de matéria "escorregou" pelo estado superdenso em um tempo muito curto (planckiano), ou seja, algo o obrigou a passar por esse estágio de curto prazo. E então não há impasse lógico com o tempo de Planck e a constante de Planck. Você só precisa entender o que poderia preceder o início da expansão cosmológica, por qual motivo e o que “arrastou” a matéria gravitacional pelo estado de superalta densidade.

A resposta a essas perguntas, em nossa opinião, está na natureza da gravidade. Os efeitos quânticos desempenham aqui um papel secundário, modificando e modificando o conceito de matéria superdensa em um curto intervalo de tempo. É claro que hoje não conhecemos todas as propriedades da matéria efetiva [essa “matéria” é chamada de efetiva porque também inclui parâmetros que descrevem possíveis desvios da gravidade da relatividade geral. A esse respeito, lembramos que a ciência moderna opera com conceitos físicos separados de matéria e espaço-tempo (gravidade). Em condições extremas próximas à singularidade, tal divisão é condicional - daí o termo "matéria efetiva".] em condições extremas. Mas, dado o curto período deste estágio, somos capazes de descrever todo o processo dinâmico, contando apenas com as conhecidas leis de conservação de energia e momento e assumindo que elas sempre se mantêm no espaço-tempo métrico médio, não importa qual seja a a "teoria de tudo" quântica será criada no futuro.

COSMOGÊNESE

Na história da cosmologia, houve várias tentativas de contornar o problema da singularidade e substituí-lo, por exemplo, pelo conceito do nascimento do Universo como um todo. De acordo com a hipótese do nascimento do “nada”, o mundo surgiu de um “ponto”, uma singularidade, uma área superdensa com uma simetria muito alta e tudo mais que você possa imaginar (metaestabilidade, instabilidade, transição de sub-barreira quântica para simetria de Friedmann, etc.). Nesta abordagem, o problema da singularidade não foi resolvido, e a singularidade foi postulada na forma de um estado inicial do tipo vácuo superdenso (ver "Ciência e Vida" No. 11, 12, 1996).

Houve outras tentativas de "fugir" da singularidade, mas seu preço sempre foi alto. Em vez disso, era necessário postular construções obscuras de estados superdensos (subplanckianos) da matéria, ou “rejeições” do fluxo de Friedmann de alta densidade (mudança de compressão para expansão), ou outras receitas hipotéticas para o comportamento de altas densidades. matéria de densidade.

Ninguém gosta da Singularidade. A imagem física do mundo pressupõe um mundo em mudança, em evolução, mas constantemente existente. Propomos dar uma olhada diferente na singularidade e partir do fato de que os estados altamente comprimidos que um sistema dinâmico de interação gravitacional (no caso mais simples, uma estrela) entra e passa sob certas condições são objetivos e naturais para a gravidade. Regiões singulares como pontes ou correntes temporárias conectam domínios mais extensos do nosso mundo. Se é assim, então precisamos entender o que faz com que a matéria caia em estados singulares especiais e como ela sai deles.

Como já mencionado, a expansão cosmológica começa com uma singularidade cosmológica - mentalmente voltando no tempo, inevitavelmente chegamos a um momento em que a densidade do Universo se volta para o infinito. Podemos considerar esta proposição como um fato óbvio baseado em QSM e GR. Tomando isso como certo, vamos nos fazer uma simples pergunta de acompanhamento: como surge uma singularidade, como a matéria gravitacional entra em um estado supercomprimido? A resposta é surpreendentemente simples: isso é causado pelo processo de contração gravitacional de um sistema massivo (uma estrela ou outro sistema astrofísico compacto) no final de sua evolução. Como resultado do colapso, forma-se um buraco negro e, como resultado, sua singularidade. Ou seja, o colapso termina com uma singularidade e a cosmologia começa com uma singularidade. Argumentamos que esta é uma cadeia de um único processo contínuo.

A questão da origem do Universo, após várias tentativas, tentativas de formulá-lo e várias interpretações, adquiriu uma sólida base científica no século XXI na forma de QSM e sua inequívoca extrapolação para o passado nos moldes da relatividade geral. Começando por considerar este problema do único Universo que conhecemos, não devemos esquecer o princípio físico geral associado ao nome de Nicolau Copérnico. Acreditava-se uma vez que a Terra é o centro do universo, depois foi associada ao Sol, mais tarde descobriu-se que nossa galáxia não é a única, mas apenas uma entre muitas (apenas galáxias visíveis são quase um trilhão) . É lógico supor que existem muitos universos. O fato de ainda não sabermos nada sobre os outros se deve ao grande tamanho do nosso Universo - sua escala obviamente excede o horizonte de visibilidade.

Tamanho (escala) do Universoé o tamanho da área causalmente conectada, esticada durante sua expansão. O tamanho da visibilidade é a distância que a luz “percorreu” durante a existência do Universo, pode ser obtida multiplicando a velocidade da luz e a idade do Universo. O fato de o Universo ser isotrópico e homogêneo em grandes escalas significa que as condições iniciais em regiões do Universo distantes umas das outras eram semelhantes.

Já mencionamos que essa grande escala se deve à presença de um estágio inflacionário de expansão. No período pré-inflacionário do Big Bang, o fluxo em expansão poderia ser muito pequeno e não ter as características do modelo de Friedman. Mas como transformar um pequeno fluxo em grande não é um problema de cosmogênese, mas uma questão técnica da existência de um estágio final intermediário de inflação que pode expandir o fluxo, assim como a superfície de um balão inflado aumenta. O principal problema da cosmogênese não está no tamanho do fluxo cosmológico, mas em sua aparência. Assim como existe um método bem conhecido para a formação de fluxos de matéria em contração (colapso gravitacional), deve haver um mecanismo físico bastante geral e simples para a geração gravitacional ("ignição") de fluxos de matéria em expansão.

SINGULARIDADES INTEGRÁVEIS

Então, como penetrar “além” da singularidade? E o que está por trás disso?

É conveniente estudar a estrutura do espaço-tempo lançando mentalmente partículas de teste grátis nele e observando como elas se movem. De acordo com nossos cálculos, trajetórias geodésicas [as distâncias mais curtas no espaço de uma determinada estrutura. No espaço euclidiano são linhas retas, no espaço riemanniano são arcos de um círculo, etc.] de partículas de teste propagam-se livremente no tempo através de regiões singulares de uma determinada classe, que chamamos de singularidades integráveis. (A densidade ou pressão diverge na singularidade, mas a integral de volume dessas quantidades é finita: a massa da singularidade integrável tende a zero, pois ocupa um volume insignificante.) Tendo passado pelo buraco negro, as trajetórias geodésicas se encontram no espaço -domínio do tempo (do francês domaine - area , posse) de um buraco branco que se expande com todos os sinais de um fluxo cosmológico. Essa geometria do espaço-tempo é unificada e é lógico defini-la como um buraco preto e branco. O domínio cosmológico do buraco branco está localizado no futuro absoluto em relação ao domínio pai do buraco negro, ou seja, o buraco branco é uma continuação natural e produto do buraco negro.

Este novo conceito nasceu muito recentemente. Os criadores anunciaram sua aparição em maio de 2011 em uma conferência científica dedicada à memória de A. D. Sakharov, realizada no carro-chefe da física russa - o Instituto de Física. P. N. Lebedev da Academia Russa de Ciências (FIAN).

Como isso é possível e por que tal mecanismo de cosmogênese não foi considerado antes? Vamos começar respondendo a primeira pergunta.

Encontrar um buraco negro não é difícil, existem muitos deles por aí - vários por cento de toda a massa das estrelas do Universo está concentrada em buracos negros. O mecanismo de sua ocorrência também é bem conhecido. Muitas vezes você pode ouvir que vivemos em um cemitério de buracos negros. Mas isso pode ser chamado de cemitério (o fim da evolução), ou outras zonas (domínios) do nosso mundo complexo, outros universos começam além dos horizontes de eventos dos buracos negros?

Sabemos que dentro de um buraco negro existe uma região especial e singular, na qual toda a matéria capturada por ele “cai”, e onde o potencial gravitacional corre para o infinito. No entanto, a natureza não tolera não apenas o vazio, mas também o infinito ou a divergência (embora ninguém tenha cancelado grandes números). Conseguimos “atravessar” a região de singularidade exigindo que os potenciais gravitacionais (métricos) nela e, portanto, as forças de maré, permanecessem finitos.

A divergência de potenciais métricos pode ser eliminada suavizando a singularidade com a ajuda da matéria efetiva, que a enfraquece, mas não a elimina completamente. (Tal singularidade integrável pode ser comparada ao comportamento da matéria escura ao se aproximar do centro de uma galáxia. Sua densidade tende ao infinito, mas a massa contida dentro de um raio decrescente tende a zero devido ao fato de que o volume dentro desse raio diminui mais rápido do que a densidade aumenta. Tal analogia não é absoluta: a cúspide galáctica, uma região de densidade divergente, é uma estrutura espacial, e uma singularidade de buraco negro ocorre como um evento no tempo). as forças de maré que atuam sobre uma partícula são finitas porque dependem da massa total. Isso permite que as partículas de teste passem livremente pela singularidade: elas se propagam no espaço-tempo contínuo e não são necessárias informações sobre a distribuição de densidade ou pressão para descrever seu movimento. E com a ajuda de partículas de teste, você pode descrever a geometria - construir sistemas de referência e medir os intervalos espaciais e temporais entre pontos e eventos.

BURACOS PRETOS E BRANCOS

Então, você pode passar pela singularidade. E, consequentemente, é possível “ver” o que está por trás disso, através de que tipo de espaço-tempo nossas partículas de teste continuam a se propagar. E eles caem na região do buraco branco. As equações mostram que ocorre uma espécie de oscilação: o fluxo de energia da região de contração do buraco negro continua na região de expansão do buraco branco. O momento não pode ser escondido: o colapso é invertido em um anticolapso com o momento total preservado. E este já é um universo diferente, pois um buraco branco cheio de matéria tem todas as propriedades de um fluxo cosmológico. Isso significa que nosso Universo, talvez, seja o produto de algum outro mundo.

O quadro que segue das soluções recebidas das equações da gravitação, desenvolve tal. A estrela-mãe colapsa no universo-mãe e forma um buraco negro. Como resultado do colapso, forças gravitacionais de maré destrutivas surgem ao redor da estrela, que deformam e quebram o vácuo, dando origem à matéria no espaço anteriormente vazio. Essa matéria da região singular do buraco preto e branco cai em outro universo, expandindo-se sob a ação de um impulso gravitacional recebido durante o colapso da estrela-mãe.

A massa total de partículas em um universo tão novo pode ser arbitrariamente grande. Pode exceder significativamente a massa da estrela-mãe. Neste caso, a massa do buraco negro formado (pai), medida por um observador localizado no espaço exterior do universo pai, é finita e próxima da massa da estrela colapsada. Não há paradoxo aqui, pois a diferença de massa é compensada pela energia de ligação gravitacional, que tem sinal negativo. Podemos dizer que o novo universo está no futuro absoluto em relação ao universo pai (antigo). Em outras palavras, você pode ir lá, mas não pode voltar.

COSMOLOGIA ASTROGÊNICA, OU UM UNIVERSO MÚLTIPLO

Um mundo tão complexo se assemelha à Árvore da Vida (uma árvore genealógica, se preferir). Se no processo de evolução buracos negros aparecem no Universo, então através deles as partículas podem entrar em outros ramos (domínios) do universo - e assim por diante ao longo das guirlandas temporárias de buracos pretos e brancos. Se os buracos negros não são formados por uma razão ou outra (por exemplo, as estrelas não nascem), surge um beco sem saída - a gênese (criação) de novos universos nessa direção é interrompida. Mas sob circunstâncias favoráveis, o fluxo da "vida" pode recomeçar e florescer mesmo a partir de um buraco negro - para isso é necessário criar condições para a produção de novas gerações de buracos negros em universos subsequentes.

Como podem surgir “circunstâncias favoráveis” e de que dependem? Em nosso modelo, isso se deve às propriedades da matéria efetiva, que nasce sob a ação da gravidade extrema próxima às singularidades dos buracos preto e branco. Na verdade, estamos falando de transições de fase não lineares em um sistema material quântico-gravitacional, que têm o caráter de flutuações e, portanto, estão sujeitas a mudanças aleatórias (bifurcação). Seguindo ao contrário do bordão de Einstein, podemos dizer que "Deus joga os dados", e então esses dados (condições iniciais) podem se formar em domínios determinísticos de novos universos, ou podem permanecer "embriões" não desenvolvidos da cosmogênese. Aqui, como na vida, existem leis de seleção natural. Mas este é o assunto de mais pesquisas e trabalhos futuros.

COMO EVITAR A SINGULARIDADE

Ao mesmo tempo, o conceito de um universo oscilante, ou cíclico, foi proposto, com base na hipótese do “salto”. Segundo ela, o Universo existe na forma de um número infinito de ciclos. Sua expansão é substituída por contração quase até uma singularidade, seguida de expansão novamente, e vários desses ciclos vão para o passado e para o futuro. Não é um conceito muito claro, porque, em primeiro lugar, não há evidências observacionais de que um dia a expansão do nosso mundo será substituída por contração e, em segundo lugar, o mecanismo físico que faz com que o Universo faça tais movimentos oscilatórios não é claro.

Outra abordagem sobre a origem do mundo está associada à hipótese de um universo de autocura, proposta há muitos anos pelo cientista russo A.D. Linde, que vive nos EUA. De acordo com essa hipótese, o mundo pode ser representado como um caldeirão fervente. Globalmente, o Universo é uma sopa quente com alta densidade de energia. Aparecem bolhas nele, que colapsam ou se expandem e, sob certas condições iniciais, por um longo tempo. Supõe-se que as características (qualquer uma que você possa imaginar, incluindo um conjunto de constantes fundamentais) das bolhas de mundos emergentes tenham algum espectro e um amplo alcance. Muitas questões surgem aqui: de onde veio esse “caldo”, quem o preparou e o que o mantém, com que frequência as condições iniciais são realizadas, levando ao aparecimento de universos do nosso tipo, etc.

COMO SINGULARIDADES INTEGRÁVEIS PODEM SE FORMAR

À medida que nos aproximamos da singularidade, as crescentes forças de maré agem no vácuo dos campos físicos, deformando-o e quebrando-o. Há, como se costuma dizer, a polarização do vácuo e o nascimento de partículas de matéria do vácuo - sua quebra.

Essa reação do vácuo físico à ação externa intensa de um campo gravitacional em rápida mudança é bem conhecida. Este é, de fato, o efeito da gravidade quântica - as tensões gravitacionais são transformadas em campos materiais, há uma redistribuição dos graus de liberdade físicos. Hoje, tais efeitos podem ser calculados na aproximação de campo fraco (o chamado limite semiclássico). No nosso caso, estamos falando de poderosos processos quântico-gravitacionais não lineares, onde é necessário levar em conta a influência gravitacional inversa da matéria efetiva nascida na evolução da métrica média que determina as propriedades do espaço-quadrado. tempo (quando os efeitos quânticos na gravidade se tornam fortes, a métrica se torna “trêmula” e só podemos falar sobre isso no sentido médio).

Essa direção, é claro, requer mais pesquisas. No entanto, já se pode supor que, de acordo com o princípio de Le Chatelier, a influência inversa levará a uma reestruturação do espaço métrico de tal forma que o crescimento das forças de maré, que provoca o nascimento ilimitado da matéria efetiva, será interrompido e, consequentemente, , os potenciais métricos deixarão de divergir e permanecerão finitos e contínuos.

Doutor em Ciências Físicas e Matemáticas Vladimir Lukash,
Candidata de Ciências Físicas e Matemáticas Elena Mikheeva,
Candidato a Ciências Físicas e Matemáticas Vladimir Strokov (Centro Astroespacial da FIAN),

Todos os que se depararam com o termo “singularidade” procuraram perceber o que é? Se fizermos uma tradução literal do latim, verifica-se que esta é uma singularidade de algum evento, criatura, fenômeno. O conceito de singularidade (característica) é comum em muitos campos da ciência e tecnologia, e possui certa especificidade. Dependendo disso, a singularidade pode ser:

• matemático;
• gravidade;
• cosmológico;
• tecnológica;
• biológico.

Mas se você olhar mais filosoficamente, então a singularidade é todo o universo em um pequeno ponto. E esta não é apenas toda a substância do Universo, mas também nossa vida, com sua consciência, significado e sentimentos.

Singularidade cosmológica

Caso contrário, este é o estado que o Universo tinha no primeiro momento do Big Bang. Caracteriza-se pela presença de valores infinitos da densidade e temperatura da substância. Este estado, que se tornou um exemplo de singularidade gravitacional, foi previsto por Einstein nas provisões da teoria geral da relatividade. É incrivelmente difícil imaginar que o Sol possa ser comprimido ao tamanho de um núcleo atômico, mas é ainda mais difícil imaginar que todo o Universo foi comprimido a um ponto muito menor que esse núcleo. Apesar disso, O universo surgiu de tal objeto, chamado de singularidade. Esta versão dos eventos é calculada matematicamente e é a principal teoria do surgimento do mundo circundante. Mas há certas dificuldades não explicadas por esta teoria.

1. Ninguém sabe exatamente onde se localizava o ponto do núcleo do qual nosso Universo nasceu.
2. Não está claro como esse recurso "deu à luz" quantidades infinitas de energia e matéria.
3. A heterogeneidade do universo também não é totalmente clara. De acordo com todos os cânones, deveria ter se tornado homogêneo, mas essa uniformidade não estava nem no gás primário.
4. As leis físicas que conhecemos, que ajudam a descrever o mundo que nos é familiar, não funcionam no caso de uma singularidade. Segue-se disso que é possível descrever apenas os eventos que aconteceram após o Big Bang, mas não a própria explosão e nem o limiar dela.

O próprio fato do surgimento de uma singularidade cosmológica, se continuarmos no tempo a solução que descreve a dinâmica da expansão do Universo, foi comprovado por S. Hawking em 1967. Mas ele observou que a singularidade é eliminada das leis da física. É impossível que densidade e temperatura tenham valores infinitos ao mesmo tempo. A densidade infinita implica que a medida do caos (entropia) tende a zero, e isso não se encaixa com a temperatura infinita. A singularidade cosmológica (e o próprio fato de sua existência) tornou-se um dos principais problemas da cosmologia. Isso decorre do fato de que todas as informações disponíveis sobre o que aconteceu após o Big Bang não fornecem absolutamente nenhuma informação sobre os fenômenos que precederam esse grande evento. Mas o mundo científico está constantemente tentando resolver esse problema, e essas tentativas estão ocorrendo em diferentes direções:

• Supõe-se que será possível descrever a dinâmica do campo, onde não há singularidades dadas, com a ajuda da gravidade quântica, cuja teoria ainda não foi construída;
• Acredita-se que se forem levados em conta os efeitos quânticos em campos não gravitacionais, é possível violar a condição de dominância energética, a saber, destacou Hawking;
• Existem outras teorias da gravidade que não apelam para a singularidade. Neles, a substância, comprimida ao limite, com a ajuda de forças gravitacionais, experimenta não atração, mas repulsão.

Singularidade Gravitacional

Se falamos na linguagem seca dos termos físicos, então este é um ponto localizado no espaço-tempo, através do qual não há como estabelecer uniformemente uma linha geodésica. Muitas vezes, a singularidade gravitacional torna infinitas ou indefinidas as quantidades que descrevem o campo gravitacional. Essas quantidades incluem, por exemplo, a densidade de energia ou a curvatura escalar. implica que as singularidades devem ocorrer durante a formação de um buraco negro. Se estiverem abaixo do horizonte de eventos, não poderão ser observados. No caso do Big Bang, há uma singularidade nua - sua observação é bem possível, a menos, é claro, que você esteja por perto. Infelizmente, é impossível vê-lo diretamente, portanto, com base no nível de desenvolvimento da física moderna, é apenas um objeto teórico. Quando as disposições da gravidade quântica forem desenvolvidas, será possível descrever o espaço-tempo nas proximidades desses objetos.

Cada buraco negro tem duas características principais - um horizonte de eventos e uma singularidade, que é o centro desse buraco. Há uma distorção aqui, bem como uma lacuna no espaço-tempo. Na verdade, as leis da física perdem sua lógica aqui. Existem teorias de que nesses pontos é bem possível fazer uma transição para outros mundos. Foi desenvolvido um modelo matemático - a "ponte Einstein-Rosen", confirmando esta opção. Isso pode ser feito saltando pela singularidade. É aqui que as camadas do Universo se cruzam, formando uma espécie de transição subespacial. É uma combinação de dois buracos - preto e branco. Esta é uma espécie de máquina do tempo, e o próprio fato da transição não entra em conflito com o princípio da causalidade. Saltar através da singularidade de um buraco negro giratório tornará possível a viagem no tempo em qualquer direção. Como o buraco negro é cercado por um horizonte de eventos, a singularidade não pode ser vista no estado nu. Mas ainda assim, estão sendo criados modelos que permitem que isso seja feito com vários graus de realismo.

Se você girar um buraco negro até uma certa velocidade, o horizonte de eventos pode se separar. No entanto, existem algumas dificuldades aqui. Para girar um buraco negro, você precisa despejar massa adicional nele, o que não é muito realista devido à presença de um limite claro, além do qual a rotação do buraco é impossível. Mas geralmente assume-se que a massa é adicionada a um furo que já gira muito rapidamente. E se assumirmos que a rotação acabou de começar? Esta opção permite que você gire o buraco negro para um estado em que sua singularidade se torne aberta. É provável que os buracos negros estejam viajando pelo universo, exibindo uma singularidade nua.

Singularidade em matemática

O conceito matemático de uma dada singularidade é um certo ponto em que uma função matemática tende ao infinito. Ou a função tem outras irregularidades de comportamento (em particular, um ponto crítico).

Singularidade Tecnológica

Este conceito refere-se principalmente ao campo da futurologia, uma doutrina que tenta prever o futuro. Nesse caso, algumas tendências existentes em tecnologia, economia, fenômenos sociais são tomadas como base e, em seguida, são extrapoladas. Acredita-se que em breve chegará o momento em que o progresso da ciência e da tecnologia estará além da compreensão do ser humano. mente. Isso provavelmente se tornará real depois que surgir a possibilidade de criar inteligência artificial e ajustar a produção de máquinas que se reproduzem. A integração de uma pessoa com computadores ou uma mudança brusca na funcionalidade do cérebro humano com o uso da biotecnologia levará ao mesmo resultado. Isso se tornará a singularidade tecnológica que alguns cientistas prevêem em um futuro próximo. V. Widge acredita que isso acontecerá já em 2030, e R. Kurzweil adia a revolução para o ano de 2045.

Singularidade na biologia

Na biologia, esse conceito não é usado com frequência. Geralmente é usado como alguma generalização no processo evolutivo.

Conclusões e significado

Se as singularidades matemáticas, técnicas e biológicas têm parâmetros bastante tangíveis, então a situação é mais complicada com as características de outras opções. É difícil operar com conceitos que não podem ser “sentidos” e avaliados. Cálculos matemáticos são uma coisa confiável, mas apenas se os objetos de pesquisa forem materiais o suficiente. A Singularidade é diferente. Não só não é material, como ainda não foi comprovado. Portanto, sua aplicação, mesmo hipotética, levanta questionamentos. Se você pode viajar através dele para entrar em outras dimensões, então como permanecer inteiro, passando pelos gravitacionais Scylla e Charybdis? Provavelmente, os físicos acabarão encontrando respostas para todas as perguntas. E nós definitivamente os reconheceremos e finalmente entenderemos o que é uma singularidade.

Olá queridos leitores do blog. Nas conversas com as pessoas, às vezes ouvimos coisas raras, incompreensíveis para a maioria, a palavra "singularidade". Para dar significado à sua própria pessoa, uma pessoa usa tais palavras, mas não é capaz de responder exatamente o que isso significa.

Uma tradução literal do latim é fácil de encontrar. Palavra singular significa especial, único, indica singularidade qualquer evento, ser, fenômeno. Parece muito mais fácil, mas aqui começa a incompreensibilidade.

Este conceito é aplicável em diferentes esferas da vida humana, ciência, tecnologia, filosofia. Em cada área é explicado especificamente. Para um cidadão inexperiente parece que estamos falando de coisas completamente diferentes. Não há acordo nem mesmo na compreensão do significado da palavra.

Significado da palavra

Como se de propósito, para confundir tudo completamente, as mentes científicas inventaram várias variedades de singularidade. Segundo a Wikipedia existem:

Singularidade em linguagem simples

Sim, não fica mais fácil! Você está confuso e indignado: “O que é isso, não pode ser explicado em palavras simples?”. Vamos tentar. Vamos pegar por exemplo as duas interpretações mencionadas acima e explicar tudo isso da forma mais simples possível (nos dedos):

1. Gravidade. Suponha que haja uma escotilha aberta na estrada. A superfície da estrada é o espaço, a borda da escotilha é o horizonte de eventos (o limite da curvatura do espaço, ou melhor, o horizonte de eventos). Você não vê tudo o que acontece dentro do poço, mas o buraco é formado por um objeto singular. Você joga uma pedra na escotilha, você errou - a pedra permaneceu em nosso espaço. O próximo - eles acertaram, voou sobre o limite do horizonte e entrou na zona de singularidade (incerteza);
2. Cosmológico. Imagine uma pequena bola com alta temperatura e densidade irreais. Em algum momento, explode com muita força, formando uma pilha de fragmentos, partículas e poeira. Imagine tudo o que aconteceu com a bola no momento da explosão? Isso é chamado de estado de singularidade.

Duas interpretações comuns deste fenômeno são capazes de descrever suas principais características distintivas:

A correspondência de algo com pelo menos um desses signos indica que você tem uma singularidade à sua frente.

Em ambos os fundamentos, a singularidade ilustra mais claramente buraco negro. Acredita-se que em seu centro os indicadores de todas as características físicas são infinitos, as leis da física não se aplicam e o tempo flui de acordo com regras desconhecidas por nós. Como é impossível prever o comportamento de tal objeto, a previsão perde todo o significado.

Você acha que tudo descrito longe no tempo, o espaço não nos diz respeito? Eu vou te mostrar que não é.

Singularidade em nossas vidas

A maioria dos processos na sociedade, economia, história, biologia ocorre sob condições que implicam um ponto de singularidade em um determinado momento. O desenvolvimento deste fenômeno é baseado na lei da hipérbole. Neste momento, processos que se originaram há bilhões de anos estão se aproximando de seu desfecho ao nosso redor.

A humanidade e o produto global

O exemplo mais compreensível é o aumento da população da Terra e o aumento das reservas mundiais do produto. Relacionamentos condicionados por certas condições foram construídos por milhares de anos. Se deixarmos essas dependências inalteradas agora e as continuarmos no futuro, muito em breve chegaremos ao ponto da singularidade.

O número de pessoas no planeta e o produto mundial há muito são calculados por cientistas. Duas ou três décadas atrás, ficou claro que o número de pessoas está aumentando de acordo com uma hipérbole quadrática e a produção - de acordo com uma simples, ou seja, 2 vezes mais lenta.

As previsões mostraram que no período de 2005 a 2020 chegará a hora do ponto de singularidade. Ou seja, hoje estamos dentro desse fenômeno. Diga-me, você observa abundância e riqueza abrangentes ao seu redor?

E novamente a singularidade tecnológica

O ponto exato em que a complexidade das tecnologias em desenvolvimento será inacessível à compreensão humana não está longe. Presumivelmente, a encontraremos de 2030 a 2045. O cenário de eventos prováveis ​​é conhecido por todos desde os filmes de ficção científica.

Revoluções biológicas

Singularidade na biologia da Terra é uma coisa comum. ocorreu com o crescimento hiperbólico da população até certo ponto. Por exemplo, os dinossauros eram os mestres do planeta. Mas depois dos eventos revolucionários, eles quase desapareceram. A menos que os crocodilos ocupem modestamente um nicho insignificante.

Quando os especialistas analisaram a periodicidade das datas das revoluções ocorridas na biologia e, em seguida, acrescentaram a inquietação humana a essa informação, perceberam uma clara conexão com o ponto de singularidade na região de 2010-2050.

Singularidade na história

Esse fenômeno aconteceu com bastante frequência. Lembre-se da história dos estados e impérios. Por exemplo, a Roma Antiga, no início de seu desenvolvimento, desenvolveu-se de acordo com a lei da hipérbole.

O crescimento populacional provocou a apreensão de territórios, determinou algum desenvolvimento técnico. Isso continuou até várias pragas, quando até um terço da população morreu. Depois disso, a humanidade pensou na densidade de habitantes em um só lugar.

As tentativas de restaurar o número de pessoas permitiram que o império resistisse por mais algum tempo. Mas ainda assim, o estado desmoronou por muitas razões. Assim, o algoritmo é um aumento acentuado, desequilíbrio, pequenas flutuações, uma mudança no equilíbrio de recursos e morte.

Predestinações semelhantes foram encontradas em:

1. Ciência;
2. demografia;
3. economia;
4. cultura e outras áreas da vida humana.

conclusões

No período histórico especificado, algo incrivelmente importante deve acontecer, comparável à liberação de organismos vivos em terra, o que mudará radicalmente o futuro.

Só não diga que tudo está perdido e estamos destinados ao destino dos crocodilos. Afinal, Roma não desapareceu sem deixar rastro. Sim, somos diferentes dos dinossauros. Podemos pensar, fazer previsões, buscar soluções e adaptar o ambiente às nossas necessidades.

O principal é entender o que está acontecendo e mudar as condições do jogo a tempo de evitar processos irreversíveis.

Porque a singularidade é um ponto de densidade infinita, onde todas as leis da física são violadas e as suposições sobre o futuro são desconhecidas. Tudo nele perde o sentido. E a compreensão do que está acontecendo também não importa.

Boa sorte para você! Até breve no site das páginas do blog

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Voltamo-nos para a consideração da questão mais importante da cosmologia - a questão do início da expansão cosmológica, a questão da singularidade. O resultado generalizante das seções anteriores é que o Universo está se expandindo isotropicamente e uniformemente, começando pelo menos a partir do momento em que a igualdade foi satisfeita e com alto grau de probabilidade foi descrito pelo modelo de Friedman muito antes, a partir da época do síntese de elementos químicos, ou seja, desde os primeiros segundos de expansão e de densidades de ordem

O que era antes? O Universo Friedmanniano se expandiu a partir da singularidade (ou pelo menos do momento "Planckiano", ou a época inicial foi essencialmente não Friedmanniana? A matéria do Universo passou por uma densidade infinita (ou pelo menos pelo "Planckiano" densidade ou a contração do Universo em uma época ainda anterior deu lugar à expansão em uma densidade finita [ver, por exemplo, Alfven (1971)]?

De acordo com o modelo de Friedman, a expansão do Universo começou a partir de uma singularidade. Desde a década de 1930, há décadas, a cosmologia se depara com se a presença de uma singularidade no início da expansão é uma propriedade especial do modelo de Friedman (e outros modelos suficientemente simétricos), será que a singularidade desaparecerá quando pequenas velocidades peculiares da matéria ou rotação são introduzidos?

A analogia com o problema mecânico de expandir a bola na teoria de Newton apoiava tais suposições. De fato, se considerarmos na teoria de Newton a expansão de partículas gravitacionais que simultaneamente voam ao longo dos raios de um ponto, então a expansão começa a partir de uma singularidade. No entanto, na presença de pequenas velocidades peculiares, os pontos passam voando próximos ao centro, a densidade de partículas é sempre finita e não há singularidades.

surgir. Talvez uma situação semelhante seja possível no problema cosmológico da teoria de Einstein?

Aqui é essencial notar uma circunstância, que é enfatizada por Lifshitz e Khalatnikov (1963a, b). Se não houve singularidade no passado e a expansão observada do Universo no passado foi precedida de contração, então o modelo cosmológico que descreve a passagem da matéria através do máximo de densidade e expansão subsequente deve ser estável, ou seja, referir-se ao “geral solução” na terminologia de Lifshitz e Khalatnikov. Em outras palavras, que haja algum modelo sem singularidade que descreva a compressão da matéria a uma densidade finita (sem singularidade) e depois sua expansão, e deixe que uma pequena mudança nos parâmetros do modelo na fase de compressão leve ao aparecimento de uma singularidade. Então, obviamente, esse modelo não pode ser implementado na realidade, pois sempre haverá flutuações aleatórias que levam o modelo para longe de uma solução sem singularidade. Assim, uma solução sem singularidade não deve ser excepcional, nem degenerada, mas geral para pretender descrever o Universo real.

No entanto, se a extensão começa a partir de uma singularidade, então o requisito para a generalidade da solução próxima à singularidade não é mais necessário. De fato, neste caso, as condições iniciais que determinam a solução são dadas por alguns processos desconhecidos em enormes curvaturas do espaço-tempo, ou seja, sob condições que não são descritas pela teoria moderna. É possível que os processos neste caso levem a condições iniciais especiais para a expansão do Universo, por exemplo, a quase completa homogeneidade e isotropia [ver. Peebles (1971a)]. Portanto, mesmo que fosse possível provar que a solução geral não contém uma singularidade, isso não significaria que a expansão não partiu da singularidade.

Assim, a cosmologia enfrentou duas questões diferentes: 1) existe uma solução cosmológica geral (no sentido de "estável") sem uma singularidade? e 2) houve uma singularidade no passado nas condições que ocorrem no universo real?

No final da década de 1960, uma resposta positiva foi dada à segunda pergunta (Penrose, Hawking, Geroch). Está provado que a expansão do Universo começou com uma singularidade (se, claro, GR é válido, mas a mudança no próprio GR, se estiver associada a uma grande curvatura, requer "quase" uma singularidade), no entanto, como exatamente a expansão ocorreu perto da singularidade - de acordo com Friedman ou de forma mais complexa, não foi estabelecido. Após esses trabalhos, a perspicácia da primeira questão para a cosmologia desapareceu. De fato, a estrutura da solução próxima à singularidade não corresponde necessariamente à solução geral, e surge o problema: de alguma forma

estabelecer a verdadeira natureza do início da expansão do universo real.

Em 1972, após um longo trabalho, Belinsky, Lifshitz e Khalatnikov construíram uma solução geral (estável) com uma singularidade, ou seja, deram uma resposta positiva à primeira questão.

Em termos de suas propriedades, a solução geral revelou-se qualitativamente a mesma que a solução próxima à singularidade para o modelo de mundo "misto" (ver §§ 4 e 5 do Cap. 21).

Na apresentação posterior, focaremos na prova da presença de uma singularidade no passado no Universo e nos processos físicos próximos à própria singularidade. Pode-se esperar que no futuro uma análise desses processos e suas conseqüências permita estabelecer a verdadeira natureza da expansão do Universo nos estágios iniciais, em densidades substancialmente superiores à nuclear.