Conform acestui model, lumea noastră a apărut cu aproximativ treisprezece miliarde de ani în urmă, ca urmare a Big Bang-ului unei anumite stări superdense a Universului nostru - o singularitate. Ceea ce a precedat acest eveniment, cum a apărut singularitatea, de unde provine masa sa, a fost complet de neînțeles - nu există nicio teorie a unei astfel de stări. Soarta ulterioară a Universului în expansiune a fost, de asemenea, neclară: dacă expansiunea sa va continua pentru totdeauna sau dacă va fi înlocuită de contracție până la următoarea singularitate.

Teoria cosmogenezei, dezvoltată recent de cercetătorii ruși și raportată pentru prima dată în mai anul trecut, la o conferință internațională la Institutul de Fizică. P. N. Lebedev de la Academia Rusă de Științe, arată că singularitatea este un produs natural al evoluției unei stele masive care s-a transformat într-o gaură neagră. O singură gaură neagră poate da naștere la numeroase „descendențe” în universurile ulterioare. Și acest proces continuă continuu, ramificându-se, precum Arborele Lumii din legendele scandinave. Hiperuniversul cu mai multe foi este infinit atât în ​​spațiu, cât și în timp.

Arborele lumii

„La început era Cuvântul, și Cuvântul era la Dumnezeu și Cuvântul era Dumnezeu.” Pe scurt și clar, dar de neînțeles. Din fericire, pe lângă teologie, există și cosmologia - știința universului. Tabloul cosmologic al lumii este, prin definiție, obiectiv, de natură nereligioasă și, prin urmare, interesant pentru orice persoană care apreciază faptele.

Până la începutul secolului al XX-lea, cosmologia a rămas o disciplină speculativă: nu era încă fizică bazată pe experiență empirică și experiment independent, ci filozofie naturală bazată pe opiniile, inclusiv religioase, ale omului de știință însuși. Abia odată cu apariția teoriei moderne a gravitației, cunoscută sub numele de relativitate generală, cosmologia a primit o bază teoretică. Numeroase descoperiri atât în ​​astronomie, cât și în fizică i-au dat eroinei noastre o justificare observațională. Experimentul numeric a devenit un ajutor important pentru teorie și observații. Rețineți că, contrar unor afirmații, nu există contradicții între relativitatea generală, pe de o parte, și observații și experiment, pe de altă parte. La urma urmei, pe baza relativității generale, ei nu numai că au calculat deviația unui fascicul de lumină în câmpul gravitațional al Soarelui, care, sincer, nu este esențial important pentru economia națională, ci au calculat și orbitele planetelor și navelor spațiale. , precum și parametrii tehnici ai acceleratoarelor, inclusiv Large Hadron Collider. Desigur, asta nu înseamnă că relativitatea generală este adevărul suprem. Totuși, căutarea unei noi teorii a gravitației merge în direcția generalizării celei existente, și nu a abandonării ei.

Definiția pe care am dat-o cosmologiei - știința universului - este destul de largă. După cum a remarcat pe bună dreptate Arthur Eddington, toată știința este cosmologie. Prin urmare, este logic să explicăm cu exemple specifice care sarcini și probleme sunt legate de cele cosmologice.

Construirea unui model al Universului este, desigur, o sarcină cosmologică. Acum este general acceptat că universul este omogen și izotrop la scară mare (mai mare de 100 de megaparsecs). Acest model este numit modelul Friedman după descoperitorul său Alexander Fridman. La scară mică, materia Universului este supusă procesului de răsucire gravitațională din cauza instabilității gravitaționale - forța de atracție care acționează între corpuri tinde să le unească. În cele din urmă, acest lucru duce la apariția structurii Universului - galaxii, clusterele lor etc.

Universul este non-staționar: se extinde și cu accelerare (inflaționistă) datorită prezenței energiei întunecate în el - un fel de materie, a cărei presiune este negativă. Modelul cosmologic este descris de mai mulți parametri. Acestea sunt cantitatea de materie întunecată, barionii, neutrinii și numărul soiurilor acestora, valorile constantei Hubble și ale curburii spațiale, forma spectrului de perturbații de densitate inițială (un set de perturbații de diferite dimensiuni), amplitudinea undelor gravitaționale primare, deplasarea spre roșu și adâncimea optică a ionizării secundare a hidrogenului, precum și alții, parametri mai puțin importanți. Fiecare dintre ele merită o discuție separată, definiția fiecăruia este un studiu întreg și toate acestea se referă la sarcinile cosmologiei. Parametrul cosmologic nu este doar un număr, ci și procesele fizice care guvernează lumea în care trăim.

UNIVERSUL TIMPURII

Poate o problemă cosmologică și mai importantă este problema originii Universului, a ceea ce a fost la Început.

Timp de secole, oamenii de știință și-au imaginat universul ca fiind etern, infinit și static. Faptul că nu este așa a fost descoperit în anii 20 ai secolului XX: nestaționaritatea soluțiilor ecuațiilor gravitației a fost relevată teoretic de deja menționatul A. A. Fridman, iar observațiile (cu interpretarea corectă) au fost făcute. aproape simultan de mai mulţi astronomi. Este important din punct de vedere metodic să subliniem că spațiul în sine nu se extinde nicăieri: vorbim despre expansiunea volumetrică a unui flux de materie pe scară largă, răspândindu-se în toate direcțiile. Vorbind despre Începutul Universului, avem în vedere problema originii acestui flux cosmologic, căruia i s-a dat un impuls inițial de expansiune și i s-a dat o anumită simetrie.

Ideea unui Univers etern și infinit, prin lucrările multor cercetători ai secolului al XX-lea, uneori contrar convingerilor lor personale, a pierdut teren. Descoperirea expansiunii globale a Universului a însemnat nu numai că Universul este non-static, ci și că vârsta lui este finită. După multe dezbateri despre ce este și multe descoperiri observaționale importante, numărul a fost stabilit: 13,7 miliarde de ani. Acest lucru este foarte puțin. La urma urmei, acum două miliarde de ani, ceva se târa deja pe Pământ. În plus, raza Universului vizibil este prea mare (câteva gigaparsecs) pentru o vârstă atât de mică. Aparent, dimensiunea uriașă a Universului este asociată cu o altă etapă - inflaționistă - de expansiune care a avut loc în trecut și a fost înlocuită cu o etapă de expansiune lentă, controlată de gravitația radiațiilor și a materiei întunecate. Mai târziu, începe o altă etapă a expansiunii accelerate a Universului, care este deja controlată de energia întunecată. Ecuațiile GR arată că, odată cu expansiunea accelerată, dimensiunea fluxului cosmologic crește foarte repede și se dovedește a fi mai mare decât orizontul luminos.

Vârsta Universului este cunoscută cu o precizie de 100 de milioane de ani. Dar, în ciuda unei astfel de acuratețe „scăzute”, noi (omenirea) putem urmări cu încredere procesele care au decurs extrem de aproape în timp de „momentul nașterii Universului” - aproximativ 10^-35 de secunde. Acest lucru este posibil deoarece dinamica proceselor fizice care au loc la distanțe cosmologice este legată doar de gravitație și este absolut clară în acest sens. Cu o teorie (GR) disponibilă, putem extrapola în trecut Modelul Cosmologic Standard din Universul modern și să „vedem” cum arăta în tinerețe. Și părea simplu: Universul timpuriu era strict determinat și era un flux laminar de materie care se extinde de la densități foarte mari.

SINGULARITATE

Treisprezece miliarde de ani înseamnă aproximativ 10^17 secunde. Iar începutul „natural” al fluxului cosmologic cu o astfel de extrapolare coincide cu timpul Planck - 10^-43 secunde. Total 43 + 17 = 60 de comenzi. Nu are sens să vorbim despre ceea ce s-a întâmplat înainte de 10^-43 de secunde, deoarece, datorită efectelor cuantice, scara Planck este intervalul minim pentru care este aplicabil conceptul de continuitate și extensie. În acest moment, mulți cercetători au renunțat. De exemplu, este imposibil să mergem mai departe, pentru că nu avem nicio teorie, nu cunoaștem gravitația cuantică etc.

Cu toate acestea, nu se poate spune cu adevărat că universul s-a „născut” chiar la această vârstă. Este foarte posibil ca fluxul de materie să „alunece” prin starea superdensă într-un timp foarte scurt (planckian), adică ceva a forțat-o să treacă prin acea etapă pe termen scurt. Și atunci nu există niciun impas logic cu timpul lui Planck și constanta lui Planck. Trebuie doar să înțelegeți ce ar fi putut preceda începutul expansiunii cosmologice, din ce motiv și ce a „târât” materia gravitativă prin starea de densitate superînaltă.

Răspunsul la aceste întrebări, în opinia noastră, constă în natura gravitației. Efectele cuantice joacă un rol secundar aici, modificând și modificând conceptul de materie superdensă într-un interval scurt de timp. Desigur, astăzi nu cunoaștem toate proprietățile materiei eficiente [această „materie” se numește efectivă deoarece include și parametri care descriu posibile abateri ale gravitației de la relativitatea generală. În acest sens, reamintim că știința modernă operează cu concepte fizice separate de materie și spațiu-timp (gravitație). În condiții extreme în apropierea singularității, o astfel de împărțire este condiționată - de unde și termenul „materie efectivă”.] în condiții extreme. Dar, având în vedere perioada scurtă a acestei etape, suntem capabili să descriem întregul proces dinamic, bazându-ne doar pe legile cunoscute de conservare a energiei și a impulsului și presupunând că acestea se mențin întotdeauna în spațiul-timp metric mediu, indiferent de ce „teoria totul” cuantică va fi.creată în viitor.

COSMOGENEZĂ

În istoria cosmologiei, au existat mai multe încercări de a ocoli problema singularității și de a o înlocui, de exemplu, cu conceptul de naștere a Universului ca întreg. Conform ipotezei nașterii din „nimic”, lumea a apărut dintr-un „punct”, o singularitate, o zonă supradensă cu simetrie foarte mare și tot ce vă puteți gândi (metastabilitate, instabilitate, tranziție sub-barieră cuantică la Friedmann). simetrie etc.). În această abordare, problema singularității nu a fost rezolvată, iar singularitatea a fost postulată sub forma unei stări inițiale superdense asemănătoare unui vid (vezi „Știința și viața” nr. 11, 12, 1996).

Au mai existat și alte încercări de a „scăpa” de singularitate, dar prețul lor a fost întotdeauna mare. În schimb, a fost necesar să se postuleze construcții obscure fie ale stărilor superdense (sub-planckiene) ale materiei, fie ale „săririi” fluxului Friedmann de la densitate mare (schimbarea de la compresie la expansiune), fie alte rețete ipotetice pentru comportamentul materie de densitate.

Nimănui nu-i place Singularitatea. Imaginea fizică a lumii presupune o lume în schimbare, în evoluție, dar constant existentă. Ne propunem să aruncăm o privire diferită asupra singularității și să pornim de la faptul că stările foarte comprimate prin care un sistem dinamic care interacționează gravitațional (în cel mai simplu caz, o stea) intră și trece prin anumite condiții sunt obiective și naturale pentru gravitație. Regiunile singulare ca punți sau lanțuri temporare conectează domenii mai extinse ale lumii noastre. Dacă este așa, atunci trebuie să înțelegem ce cauzează ca materia să cadă în stări speciale singulare și cum iese din ele.

După cum am menționat deja, expansiunea cosmologică începe cu o singularitate cosmologică - întorcându-ne mental înapoi timpul, ajungem inevitabil la un moment în care densitatea Universului se transformă în infinit. Putem considera această propoziție ca un fapt evident bazat pe QSM și GR. Luând de la sine înțeles, să ne punem o întrebare simplă: cum apare o singularitate, cum ajunge materia gravitativă într-o stare supercomprimată? Răspunsul este surprinzător de simplu: acesta este cauzat de procesul de contracție gravitațională a unui sistem masiv (o stea sau alt sistem astrofizic compact) la sfârșitul evoluției sale. Ca urmare a prăbușirii, se formează o gaură neagră și, ca urmare, singularitatea acesteia. Adică, prăbușirea se termină cu o singularitate, iar cosmologia începe cu o singularitate. Susținem că acesta este un lanț al unui singur proces continuu.

Întrebarea originii Universului, după mai multe încercări, încercări de a-l formula și diverse interpretări, a căpătat o bază științifică solidă în secolul XXI sub forma QSM și extrapolarea lui fără ambiguitate în trecut, pe liniile relativității generale. Începând să luăm în considerare această problemă din singurul Univers cunoscut nouă, nu trebuie să uităm de principiul fizic general asociat cu numele lui Nicolaus Copernic. Se credea cândva că Pământul este centrul universului, apoi a fost asociat cu Soarele, mai târziu s-a dovedit că Galaxia noastră nu este singura, ci doar una dintre foarte multe (doar galaxiile vizibile sunt aproape un trilion) . Este logic să presupunem că există o mulțime de universuri. Faptul că nu știm încă nimic despre ceilalți se datorează dimensiunii mari a Universului nostru - scara lui depășește, evident, orizontul de vizibilitate.

Dimensiunea (scara) Universului este dimensiunea zonei legate cauzal, întinsă în timpul expansiunii sale. Mărimea vizibilității este distanța pe care lumina a „parcurs-o” în timpul existenței Universului, ea poate fi obținută prin înmulțirea vitezei luminii și a vârstei Universului. Faptul că Universul este izotrop și omogen la scară mare înseamnă că condițiile inițiale în regiuni ale Universului îndepărtate unele de altele au fost similare.

Am menționat deja că această scară largă se datorează prezenței unui stadiu inflaționist de expansiune. În perioada pre-inflaționistă a Big Bang-ului, fluxul în expansiune ar putea fi foarte mic și să nu aibă deloc caracteristicile modelului Friedman. Dar cum să transformi un flux mic într-unul mare nu este o problemă de cosmogeneză, ci o chestiune tehnică a existenței unei etape intermediare finale de inflație care poate extinde debitul, exact pe măsură ce suprafața unui balon umflat crește. Principala problemă a cosmogenezei nu este în mărimea fluxului cosmologic, ci în aspectul acestuia. Așa cum există o metodă binecunoscută pentru formarea fluxurilor de materie contractante (colapsul gravitațional), trebuie să existe un mecanism fizic destul de general și simplu pentru generarea gravitațională („aprinderea”) a fluxurilor de materie în expansiune.

SINGULARITATI INTEGRABILE

Deci, cum să pătrundem „dincolo de” singularitate? Și ce se află în spatele ei?

Este convenabil să studiezi structura spațiu-timp lansând mental particule de probă gratuite în el și observând cum se mișcă. Conform calculelor noastre, traiectoriile geodezice [cele mai scurte distanțe în spațiu ale unei anumite structuri. În spațiul euclidian acestea sunt linii drepte, în spațiul riemannian sunt arce de cerc etc.] de particule de test se propagă liber în timp prin regiuni singulare dintr-o anumită clasă, pe care le-am numit singularități integrabile. (Densitatea sau presiunea diverge în singularitate, dar integrala de volum a acestor mărimi este finită: masa singularității integrabile tinde spre zero, deoarece ocupă un volum nesemnificativ.) După ce au trecut de gaura neagră, traiectorii geodezice se găsesc în spațiu. -domeniul temporal (din francez domaine - area , posesie) al unei gauri albe care se extinde cu toate semnele unui flux cosmologic. Această geometrie spațiu-timp este unificată și este logic să o definim ca o gaură alb-negru. Domeniul cosmologic al găurii albe este situat în viitorul absolut în raport cu domeniul părinte al găurii negre, adică gaura albă este o continuare naturală și un produs al găurii negre.

Acest nou concept a luat naștere destul de recent. Creatorii și-au anunțat apariția în mai 2011 la o conferință științifică dedicată memoriei lui A. D. Saharov, desfășurată la nava emblematică a fizicii ruse - Institutul de Fizică. P. N. Lebedev al Academiei Ruse de Științe (FIAN).

Cum este posibil acest lucru și de ce un astfel de mecanism de cosmogeneză nu a fost luat în considerare mai devreme? Să începem prin a răspunde la prima întrebare.

Găsirea unei găuri negre nu este dificilă, există multe dintre ele în jur - câteva procente din întreaga masă a stelelor Universului este concentrată în găurile negre. Mecanismul apariției lor este de asemenea bine cunoscut. Puteți auzi adesea că trăim într-un cimitir de găuri negre. Dar poate fi numit acest cimitir (sfârșitul evoluției) sau alte zone (domenii) ale lumii noastre complexe, alte universuri încep dincolo de orizonturile de evenimente ale găurilor negre?

Știm că în interiorul unei găuri negre există o regiune singulară specială, în care toată materia prinsă de ea „cade” și în care potențialul gravitațional se grăbește la infinit. Cu toate acestea, natura nu tolerează nu numai golul, ci și infinitul sau divergența (deși nimeni nu a anulat numerele mari). Am reușit să „trecem prin” regiunea de singularitate solicitând ca potențialele gravitaționale (metrice) din ea și, prin urmare, forțele de maree, să rămână finite.

Divergența potențialelor metrice poate fi eliminată prin netezirea singularității cu ajutorul materiei eficiente, care o slăbește, dar nu o elimină complet. (O astfel de singularitate integrabilă poate fi comparată cu comportamentul materiei întunecate pe măsură ce se apropie de centrul unei galaxii. Densitatea ei tinde spre infinit, dar masa conținută în interiorul unei raze descrescătoare tinde spre zero datorită faptului că volumul din interiorul acestei raze scade mai repede decât crește densitatea. O astfel de analogie nu este absolută: cuspida galactică, o regiune de densitate divergentă, este o structură spațială, iar o singularitate a unei găuri negre are loc ca un eveniment în timp.) Deci, în timp ce densitatea și presiunea diverg, forțele de maree care acționează asupra unei particule sunt finite deoarece depind de masa totală. Acest lucru permite particulelor de testat să treacă liber prin singularitate: ele se propagă în spațiu-timp continuu, iar informațiile despre distribuția densității sau presiunii nu sunt necesare pentru a descrie mișcarea lor. Și cu ajutorul particulelor de testare, puteți descrie geometria - construiți sisteme de referință și măsurați intervalele spațiale și temporale dintre puncte și evenimente.

GĂURI ALB-NEGRE

Deci, puteți trece prin singularitate. Și, în consecință, este posibil să „vedem” ce este în spatele lui, prin ce fel de spațiu-timp particulele noastre de testare continuă să se propage. Și cad în regiunea găurii albe. Ecuațiile arată că are loc un fel de oscilație: fluxul de energie din regiunea de contracție a găurii negre continuă în regiunea de expansiune a găurii albe. Elanul nu poate fi ascuns: colapsul este inversat într-un anti-colaps cu impulsul total păstrat. Și acesta este deja un alt univers, deoarece o gaură albă plină cu materie are toate proprietățile unui flux cosmologic. Aceasta înseamnă că Universul nostru, poate, este produsul unei alte lumi.

Imaginea care urmează din soluțiile primite ale ecuațiilor gravitației, dezvoltă astfel. Steaua părinte se prăbușește în universul părinte și formează o gaură neagră. Ca urmare a prăbușirii, în jurul stelei apar forțe gravitaționale de maree distructive, care se deformează și rup vidul, dând naștere materiei în spațiul anterior gol. Această materie din regiunea singulară a găurii alb-negru cade într-un alt univers, extinzându-se sub acțiunea unui impuls gravitațional primit în timpul prăbușirii stelei părinte.

Masa totală a particulelor într-un astfel de univers nou poate fi arbitrar de mare. Poate depăși semnificativ masa stelei părinte. În acest caz, masa găurii negre formate (părinte), măsurată de un observator situat în spațiul cosmic al universului părinte, este finită și apropiată de masa stelei prăbușite. Nu există nici un paradox aici, deoarece diferența de masă este compensată de energia de legare gravitațională, care are semn negativ. Putem spune că noul univers se află în viitorul absolut în raport cu universul părinte (vechiul). Cu alte cuvinte, poți merge acolo, dar nu te poți întoarce.

COSMOLOGIE ATROGENĂ SAU UN UNIVERS MULTIPLU

O lume atât de complexă seamănă cu Arborele Vieții (un arbore genealogic, dacă doriți). Dacă în procesul de evoluție apar găuri negre în Univers, atunci prin ele particulele pot pătrunde în alte ramuri (domenii) ale universului - și așa mai departe de-a lungul ghirlandelor temporare de găuri negre și albe. Dacă găurile negre nu se formează dintr-un motiv sau altul (de exemplu, stelele nu se nasc), apare o fundătură - geneza (crearea) de noi universuri în această direcție este întreruptă. Dar, în circumstanțe favorabile, fluxul „vieții” poate relua și poate înflori chiar și dintr-o gaură neagră - pentru aceasta este necesar să se creeze condiții pentru producerea de noi generații de găuri negre în universurile ulterioare.

Cum pot apărea „circumstanțe favorabile” și de ce depind ele? În modelul nostru, acest lucru se datorează proprietăților materiei eficiente, care se naște sub acțiunea gravitației extreme în apropierea singularităților găurilor negre și albe. De fapt, vorbim despre tranziții de fază neliniare într-un sistem material cuantic-gravitațional, care au caracter de fluctuații și, prin urmare, sunt supuse unor modificări aleatorii (bifurcații). Urmând contrar sloganului lui Einstein, putem spune că „Dumnezeu aruncă zarurile”, iar apoi aceste zaruri (condițiile inițiale) se pot forma în domenii deterministe ale noilor universuri, sau pot rămâne „embrioni” nedezvoltați ai cosmogenezei. Aici, ca și în viață, există legi ale selecției naturale. Dar acesta este subiectul cercetărilor ulterioare și al lucrărilor viitoare.

CUM SE EVITA SINGULARITATEA

La un moment dat, a fost propus conceptul de Univers oscilant, sau ciclic, pe baza ipotezei „saritului”. Potrivit ei, Universul există sub forma unui număr infinit de cicluri. Expansiunea sa este înlocuită de contracția aproape la o singularitate, urmată din nou de expansiune și o serie de astfel de cicluri merg în trecut și viitor. Nu este un concept foarte clar, pentru că, în primul rând, nu există dovezi observaționale că într-o zi expansiunea lumii noastre va fi înlocuită de contracție, iar în al doilea rând, mecanismul fizic care face ca Universul să facă astfel de mișcări oscilatorii nu este clar.

O altă abordare a originii lumii este asociată cu ipoteza unui Univers de autovindecare, propusă de mulți ani de savantul rus A.D. Linde, care locuiește în SUA. Conform acestei ipoteze, lumea poate fi reprezentată ca un cazan care fierbe. La nivel global, Universul este o supă fierbinte cu o densitate energetică ridicată. În ea apar bule, care fie se prăbușesc, fie se extind și, în anumite condiții inițiale, pentru o lungă perioadă de timp. Se presupune că caracteristicile (orice la care vă puteți gândi, inclusiv un set de constante fundamentale) ale bulelor din lumi emergente au un anumit spectru și o gamă largă. Aici apar multe întrebări: de unde a venit un astfel de „bulion”, cine l-a preparat și ce îl întreține, cât de des se realizează condițiile inițiale, ducând la apariția universurilor de tipul nostru etc.

CUM SE POT FORMA SINGULARIȚIILE INTEGRABILE

Pe măsură ce ne apropiem de singularitate, forțele de maree în creștere acționează asupra vidului câmpurilor fizice, îl deformează și îl sparg. Există, după cum se spune, polarizarea vidului și nașterea particulelor de materie din vid - descompunerea acestuia.

O astfel de reacție a vidului fizic la acțiunea externă intensă a unui câmp gravitațional în schimbare rapidă este binecunoscută. Acesta este, de fapt, efectul gravitației cuantice - tensiunile gravitaționale sunt transformate în câmpuri materiale, are loc o redistribuire a gradelor fizice de libertate. Astăzi, astfel de efecte pot fi calculate în aproximarea câmpului slab (așa-numita limită semiclasică). În cazul nostru, vorbim de procese cuantico-gravitaționale neliniare puternice, unde este necesar să se țină cont de influența gravitațională inversă a materiei efective născute asupra evoluției metricii medii care determină proprietățile spațiului cu patru dimensiuni. timp (când efectele cuantice ale gravitației devin puternice, metrica devine „tremurândă” și nu putem vorbi despre asta decât în ​​sensul mediu).

Această direcție, desigur, necesită cercetări suplimentare. Cu toate acestea, se poate deja presupune că, conform principiului lui Le Chatelier, influența inversă va conduce la o astfel de rearanjare a spațiului metric, încât creșterea forțelor de maree, care provoacă nașterea nelimitată a materiei efective, va fi oprită și, în consecință , potențialele metrice vor înceta să diverge și vor rămâne finite și continue.

Doctor în științe fizice și matematice Vladimir Lukash,
Candidată la științe fizice și matematice Elena Mikheeva,
Candidat la științe fizice și matematice Vladimir Strokov (Centrul Astrospațial al FIAN),

Universul în care trăim este descris de Modelul Standard Cosmologic. Conform acestui model, lumea noastră a apărut cu aproximativ treisprezece miliarde de ani în urmă, ca urmare a Big Bang-ului unei anumite stări superdense a Universului nostru - o singularitate. Ceea ce a precedat acest eveniment, cum a apărut singularitatea, de unde provine masa sa, a fost complet de neînțeles - nu există nicio teorie a unei astfel de stări. Soarta ulterioară a Universului în expansiune a fost, de asemenea, neclară: dacă expansiunea sa va continua pentru totdeauna sau dacă va fi înlocuită de contracție până la următoarea singularitate.

Teoria cosmogenezei, dezvoltată recent de cercetătorii ruși și raportată pentru prima dată în mai anul trecut, la o conferință internațională la Institutul de Fizică. P. N. Lebedev de la Academia Rusă de Științe, arată că singularitatea este un produs natural al evoluției unei stele masive care s-a transformat într-o gaură neagră. O singură gaură neagră poate da naștere la numeroase „descendențe” în universurile ulterioare. Și acest proces continuă continuu, ramificându-se, precum Arborele Lumii din legendele scandinave. Hiperuniversul cu mai multe foi este infinit atât în ​​spațiu, cât și în timp.

Arborele lumii

„La început era Cuvântul, și Cuvântul era la Dumnezeu și Cuvântul era Dumnezeu.” Pe scurt și clar, dar de neînțeles. Din fericire, pe lângă teologie, există și cosmologia - știința universului. Tabloul cosmologic al lumii este, prin definiție, obiectiv, de natură nereligioasă și, prin urmare, interesant pentru orice persoană care apreciază faptele.

Până la începutul secolului al XX-lea, cosmologia a rămas o disciplină speculativă: nu era încă fizică bazată pe experiență empirică și experiment independent, ci filozofie naturală bazată pe opiniile, inclusiv religioase, ale omului de știință însuși. Abia odată cu apariția teoriei moderne a gravitației, cunoscută sub numele de relativitate generală, cosmologia a primit o bază teoretică. Numeroase descoperiri atât în ​​astronomie, cât și în fizică i-au dat eroinei noastre o justificare observațională. Experimentul numeric a devenit un ajutor important pentru teorie și observații. Rețineți că, contrar unor afirmații, nu există contradicții între relativitatea generală, pe de o parte, și observații și experiment, pe de altă parte. La urma urmei, pe baza relativității generale, ei nu numai că au calculat deviația unui fascicul de lumină în câmpul gravitațional al Soarelui, care, sincer, nu este esențial important pentru economia națională, ci au calculat și orbitele planetelor și navelor spațiale. , precum și parametrii tehnici ai acceleratoarelor, inclusiv Large Hadron Collider. Desigur, asta nu înseamnă că relativitatea generală este adevărul suprem. Totuși, căutarea unei noi teorii a gravitației merge în direcția generalizării celei existente, și nu a abandonării ei.

Definiția pe care am dat-o cosmologiei - știința universului - este destul de largă. După cum a remarcat pe bună dreptate Arthur Eddington, toată știința este cosmologie. Prin urmare, este logic să explicăm cu exemple specifice care sarcini și probleme sunt legate de cele cosmologice.

Construirea unui model al Universului este, desigur, o sarcină cosmologică. Acum este general acceptat că universul este omogen și izotrop la scară mare (mai mare de 100 de megaparsecs). Acest model este numit modelul Friedman după descoperitorul său Alexander Fridman. La scară mică, materia Universului este supusă procesului de răsucire gravitațională din cauza instabilității gravitaționale - forța de atracție care acționează între corpuri tinde să le unească. În cele din urmă, acest lucru duce la apariția structurii Universului - galaxii, clusterele lor etc.

Universul este non-staționar: se extinde și cu accelerare (inflaționistă) datorită prezenței energiei întunecate în el - un fel de materie, a cărei presiune este negativă. Modelul cosmologic este descris de mai mulți parametri. Acestea sunt cantitatea de materie întunecată, barionii, neutrinii și numărul soiurilor acestora, valorile constantei Hubble și ale curburii spațiale, forma spectrului de perturbații de densitate inițială (un set de perturbații de diferite dimensiuni), amplitudinea undelor gravitaționale primare, deplasarea spre roșu și adâncimea optică a ionizării secundare a hidrogenului, precum și alții, parametri mai puțin importanți. Fiecare dintre ele merită o discuție separată, definiția fiecăruia este un studiu întreg și toate acestea se referă la sarcinile cosmologiei. Parametrul cosmologic nu este doar un număr, ci și procesele fizice care guvernează lumea în care trăim.

UNIVERSUL TIMPURII

Poate o problemă cosmologică și mai importantă este problema originii Universului, a ceea ce a fost la Început.

Timp de secole, oamenii de știință și-au imaginat universul ca fiind etern, infinit și static. Faptul că nu este așa a fost descoperit în anii 20 ai secolului XX: nestaționaritatea soluțiilor ecuațiilor gravitației a fost relevată teoretic de deja menționatul A. A. Fridman, iar observațiile (cu interpretarea corectă) au fost făcute. aproape simultan de mai mulţi astronomi. Este important din punct de vedere metodic să subliniem că spațiul în sine nu se extinde nicăieri: vorbim despre expansiunea volumetrică a unui flux de materie pe scară largă, răspândindu-se în toate direcțiile. Vorbind despre Începutul Universului, avem în vedere problema originii acestui flux cosmologic, căruia i s-a dat un impuls inițial de expansiune și i s-a dat o anumită simetrie.

Ideea unui Univers etern și infinit, prin lucrările multor cercetători ai secolului al XX-lea, uneori contrar convingerilor lor personale, a pierdut teren. Descoperirea expansiunii globale a Universului a însemnat nu numai că Universul este non-static, ci și că vârsta lui este finită. După multe dezbateri despre ce este și multe descoperiri observaționale importante, numărul a fost stabilit: 13,7 miliarde de ani. Acest lucru este foarte puțin. La urma urmei, acum două miliarde de ani, ceva se târa deja pe Pământ. În plus, raza Universului vizibil este prea mare (câteva gigaparsecs) pentru o vârstă atât de mică. Aparent, dimensiunea uriașă a Universului este asociată cu o altă etapă - inflaționistă - de expansiune care a avut loc în trecut și a fost înlocuită cu o etapă de expansiune lentă, controlată de gravitația radiațiilor și a materiei întunecate. Mai târziu, începe o altă etapă a expansiunii accelerate a Universului, care este deja controlată de energia întunecată. Ecuațiile GR arată că, odată cu expansiunea accelerată, dimensiunea fluxului cosmologic crește foarte repede și se dovedește a fi mai mare decât orizontul luminos.

Vârsta Universului este cunoscută cu o precizie de 100 de milioane de ani. Dar, în ciuda unei astfel de acuratețe „scăzute”, noi (omenirea) putem urmări cu încredere procesele care au decurs extrem de aproape în timp de „momentul nașterii Universului” - aproximativ 10^-35 de secunde. Acest lucru este posibil deoarece dinamica proceselor fizice care au loc la distanțe cosmologice este legată doar de gravitație și este absolut clară în acest sens. Cu o teorie (GR) disponibilă, putem extrapola în trecut Modelul Cosmologic Standard din Universul modern și să „vedem” cum arăta în tinerețe. Și părea simplu: Universul timpuriu era strict determinat și era un flux laminar de materie care se extinde de la densități foarte mari.

SINGULARITATE

Treisprezece miliarde de ani înseamnă aproximativ 10^17 secunde. Iar începutul „natural” al fluxului cosmologic cu o astfel de extrapolare coincide cu timpul Planck - 10^-43 secunde. Total 43 + 17 = 60 de comenzi. Nu are sens să vorbim despre ceea ce s-a întâmplat înainte de 10^-43 de secunde, deoarece, datorită efectelor cuantice, scara Planck este intervalul minim pentru care este aplicabil conceptul de continuitate și extensie. În acest moment, mulți cercetători au renunțat. De exemplu, este imposibil să mergem mai departe, pentru că nu avem nicio teorie, nu cunoaștem gravitația cuantică etc.

Cu toate acestea, nu se poate spune cu adevărat că universul s-a „născut” chiar la această vârstă. Este foarte posibil ca fluxul de materie să „alunece” prin starea superdensă într-un timp foarte scurt (planckian), adică ceva a forțat-o să treacă prin acea etapă pe termen scurt. Și atunci nu există niciun impas logic cu timpul lui Planck și constanta lui Planck. Trebuie doar să înțelegeți ce ar fi putut preceda începutul expansiunii cosmologice, din ce motiv și ce a „târât” materia gravitativă prin starea de densitate superînaltă.

Răspunsul la aceste întrebări, în opinia noastră, constă în natura gravitației. Efectele cuantice joacă un rol secundar aici, modificând și modificând conceptul de materie superdensă într-un interval scurt de timp. Desigur, astăzi nu cunoaștem toate proprietățile materiei eficiente [această „materie” se numește efectivă deoarece include și parametri care descriu posibile abateri ale gravitației de la relativitatea generală. În acest sens, reamintim că știința modernă operează cu concepte fizice separate de materie și spațiu-timp (gravitație). În condiții extreme în apropierea singularității, o astfel de împărțire este condiționată - de unde și termenul „materie efectivă”.] în condiții extreme. Dar, având în vedere perioada scurtă a acestei etape, suntem capabili să descriem întregul proces dinamic, bazându-ne doar pe legile cunoscute de conservare a energiei și a impulsului și presupunând că acestea se mențin întotdeauna în spațiul-timp metric mediu, indiferent de ce „teoria totul” cuantică va fi.creată în viitor.

COSMOGENEZĂ

În istoria cosmologiei, au existat mai multe încercări de a ocoli problema singularității și de a o înlocui, de exemplu, cu conceptul de naștere a Universului ca întreg. Conform ipotezei nașterii din „nimic”, lumea a apărut dintr-un „punct”, o singularitate, o zonă supradensă cu simetrie foarte mare și tot ce vă puteți gândi (metastabilitate, instabilitate, tranziție sub-barieră cuantică la Friedmann). simetrie etc.). În această abordare, problema singularității nu a fost rezolvată, iar singularitatea a fost postulată sub forma unei stări inițiale superdense asemănătoare unui vid (vezi „Știința și viața” nr. 11, 12, 1996).

Au mai existat și alte încercări de a „scăpa” de singularitate, dar prețul lor a fost întotdeauna mare. În schimb, a fost necesar să se postuleze construcții obscure fie ale stărilor superdense (sub-planckiene) ale materiei, fie ale „săririi” fluxului Friedmann de la densitate mare (schimbarea de la compresie la expansiune), fie alte rețete ipotetice pentru comportamentul materie de densitate.

Nimănui nu-i place Singularitatea. Imaginea fizică a lumii presupune o lume în schimbare, în evoluție, dar constant existentă. Ne propunem să aruncăm o privire diferită asupra singularității și să pornim de la faptul că stările foarte comprimate prin care un sistem dinamic care interacționează gravitațional (în cel mai simplu caz, o stea) intră și trece prin anumite condiții sunt obiective și naturale pentru gravitație. Regiunile singulare ca punți sau lanțuri temporare conectează domenii mai extinse ale lumii noastre. Dacă este așa, atunci trebuie să înțelegem ce cauzează ca materia să cadă în stări speciale singulare și cum iese din ele.

După cum am menționat deja, expansiunea cosmologică începe cu o singularitate cosmologică - întorcându-ne mental înapoi timpul, ajungem inevitabil la un moment în care densitatea Universului se transformă în infinit. Putem considera această propoziție ca un fapt evident bazat pe QSM și GR. Luând de la sine înțeles, să ne punem o întrebare simplă: cum apare o singularitate, cum ajunge materia gravitativă într-o stare supercomprimată? Răspunsul este surprinzător de simplu: acesta este cauzat de procesul de contracție gravitațională a unui sistem masiv (o stea sau alt sistem astrofizic compact) la sfârșitul evoluției sale. Ca urmare a prăbușirii, se formează o gaură neagră și, ca urmare, singularitatea acesteia. Adică, prăbușirea se termină cu o singularitate, iar cosmologia începe cu o singularitate. Susținem că acesta este un lanț al unui singur proces continuu.

Întrebarea originii Universului, după mai multe încercări, încercări de a-l formula și diverse interpretări, a căpătat o bază științifică solidă în secolul XXI sub forma QSM și extrapolarea lui fără ambiguitate în trecut, pe liniile relativității generale. Începând să luăm în considerare această problemă din singurul Univers cunoscut nouă, nu trebuie să uităm de principiul fizic general asociat cu numele lui Nicolaus Copernic. Se credea cândva că Pământul este centrul universului, apoi a fost asociat cu Soarele, mai târziu s-a dovedit că Galaxia noastră nu este singura, ci doar una dintre foarte multe (doar galaxiile vizibile sunt aproape un trilion) . Este logic să presupunem că există o mulțime de universuri. Faptul că nu știm încă nimic despre ceilalți se datorează dimensiunii mari a Universului nostru - scara lui depășește, evident, orizontul de vizibilitate.

Dimensiunea (scara) Universului este dimensiunea zonei legate cauzal, întinsă în timpul expansiunii sale. Mărimea vizibilității este distanța pe care lumina a „parcurs-o” în timpul existenței Universului, ea poate fi obținută prin înmulțirea vitezei luminii și a vârstei Universului. Faptul că Universul este izotrop și omogen la scară mare înseamnă că condițiile inițiale în regiuni ale Universului îndepărtate unele de altele au fost similare.

Am menționat deja că această scară largă se datorează prezenței unui stadiu inflaționist de expansiune. În perioada pre-inflaționistă a Big Bang-ului, fluxul în expansiune ar putea fi foarte mic și să nu aibă deloc caracteristicile modelului Friedman. Dar cum să transformi un flux mic într-unul mare nu este o problemă de cosmogeneză, ci o chestiune tehnică a existenței unei etape intermediare finale de inflație care poate extinde debitul, exact pe măsură ce suprafața unui balon umflat crește. Principala problemă a cosmogenezei nu este în mărimea fluxului cosmologic, ci în aspectul acestuia. Așa cum există o metodă binecunoscută pentru formarea fluxurilor de materie contractante (colapsul gravitațional), trebuie să existe un mecanism fizic destul de general și simplu pentru generarea gravitațională („aprinderea”) a fluxurilor de materie în expansiune.

SINGULARITATI INTEGRABILE

Deci, cum să pătrundem „dincolo de” singularitate? Și ce se află în spatele ei?

Este convenabil să studiezi structura spațiu-timp lansând mental particule de probă gratuite în el și observând cum se mișcă. Conform calculelor noastre, traiectoriile geodezice [cele mai scurte distanțe în spațiu ale unei anumite structuri. În spațiul euclidian acestea sunt linii drepte, în spațiul riemannian sunt arce de cerc etc.] de particule de test se propagă liber în timp prin regiuni singulare dintr-o anumită clasă, pe care le-am numit singularități integrabile. (Densitatea sau presiunea diverge în singularitate, dar integrala de volum a acestor mărimi este finită: masa singularității integrabile tinde spre zero, deoarece ocupă un volum nesemnificativ.) După ce au trecut de gaura neagră, traiectorii geodezice se găsesc în spațiu. -domeniul temporal (din francez domaine - area , posesie) al unei gauri albe care se extinde cu toate semnele unui flux cosmologic. Această geometrie spațiu-timp este unificată și este logic să o definim ca o gaură alb-negru. Domeniul cosmologic al găurii albe este situat în viitorul absolut în raport cu domeniul părinte al găurii negre, adică gaura albă este o continuare naturală și un produs al găurii negre.

Acest nou concept a luat naștere destul de recent. Creatorii și-au anunțat apariția în mai 2011 la o conferință științifică dedicată memoriei lui A. D. Saharov, desfășurată la nava emblematică a fizicii ruse - Institutul de Fizică. P. N. Lebedev al Academiei Ruse de Științe (FIAN).

Cum este posibil acest lucru și de ce un astfel de mecanism de cosmogeneză nu a fost luat în considerare mai devreme? Să începem prin a răspunde la prima întrebare.

Găsirea unei găuri negre nu este dificilă, există multe dintre ele în jur - câteva procente din întreaga masă a stelelor Universului este concentrată în găurile negre. Mecanismul apariției lor este de asemenea bine cunoscut. Puteți auzi adesea că trăim într-un cimitir de găuri negre. Dar poate fi numit acest cimitir (sfârșitul evoluției) sau alte zone (domenii) ale lumii noastre complexe, alte universuri încep dincolo de orizonturile de evenimente ale găurilor negre?

Știm că în interiorul unei găuri negre există o regiune singulară specială, în care toată materia prinsă de ea „cade” și în care potențialul gravitațional se grăbește la infinit. Cu toate acestea, natura nu tolerează nu numai golul, ci și infinitul sau divergența (deși nimeni nu a anulat numerele mari). Am reușit să „trecem prin” regiunea de singularitate solicitând ca potențialele gravitaționale (metrice) din ea și, prin urmare, forțele de maree, să rămână finite.

Divergența potențialelor metrice poate fi eliminată prin netezirea singularității cu ajutorul materiei eficiente, care o slăbește, dar nu o elimină complet. (O astfel de singularitate integrabilă poate fi comparată cu comportamentul materiei întunecate pe măsură ce se apropie de centrul unei galaxii. Densitatea ei tinde spre infinit, dar masa conținută în interiorul unei raze descrescătoare tinde spre zero datorită faptului că volumul din interiorul acestei raze scade mai repede decât crește densitatea. O astfel de analogie nu este absolută: cuspida galactică, o regiune de densitate divergentă, este o structură spațială, iar o singularitate a unei găuri negre are loc ca un eveniment în timp.) Deci, în timp ce densitatea și presiunea diverg, forțele de maree care acționează asupra unei particule sunt finite deoarece depind de masa totală. Acest lucru permite particulelor de testat să treacă liber prin singularitate: ele se propagă în spațiu-timp continuu, iar informațiile despre distribuția densității sau presiunii nu sunt necesare pentru a descrie mișcarea lor. Și cu ajutorul particulelor de testare, puteți descrie geometria - construiți sisteme de referință și măsurați intervalele spațiale și temporale dintre puncte și evenimente.

GĂURI ALB-NEGRE

Deci, puteți trece prin singularitate. Și, în consecință, este posibil să „vedem” ce este în spatele lui, prin ce fel de spațiu-timp particulele noastre de testare continuă să se propage. Și cad în regiunea găurii albe. Ecuațiile arată că are loc un fel de oscilație: fluxul de energie din regiunea de contracție a găurii negre continuă în regiunea de expansiune a găurii albe. Elanul nu poate fi ascuns: colapsul este inversat într-un anti-colaps cu impulsul total păstrat. Și acesta este deja un alt univers, deoarece o gaură albă plină cu materie are toate proprietățile unui flux cosmologic. Aceasta înseamnă că Universul nostru, poate, este produsul unei alte lumi.

Imaginea care urmează din soluțiile primite ale ecuațiilor gravitației, dezvoltă astfel. Steaua părinte se prăbușește în universul părinte și formează o gaură neagră. Ca urmare a prăbușirii, în jurul stelei apar forțe gravitaționale de maree distructive, care se deformează și rup vidul, dând naștere materiei în spațiul anterior gol. Această materie din regiunea singulară a găurii alb-negru cade într-un alt univers, extinzându-se sub acțiunea unui impuls gravitațional primit în timpul prăbușirii stelei părinte.

Masa totală a particulelor într-un astfel de univers nou poate fi arbitrar de mare. Poate depăși semnificativ masa stelei părinte. În acest caz, masa găurii negre formate (părinte), măsurată de un observator situat în spațiul cosmic al universului părinte, este finită și apropiată de masa stelei prăbușite. Nu există nici un paradox aici, deoarece diferența de masă este compensată de energia de legare gravitațională, care are semn negativ. Putem spune că noul univers se află în viitorul absolut în raport cu universul părinte (vechiul). Cu alte cuvinte, poți merge acolo, dar nu te poți întoarce.

COSMOLOGIE ATROGENĂ SAU UN UNIVERS MULTIPLU

O lume atât de complexă seamănă cu Arborele Vieții (un arbore genealogic, dacă doriți). Dacă în procesul de evoluție apar găuri negre în Univers, atunci prin ele particulele pot pătrunde în alte ramuri (domenii) ale universului - și așa mai departe de-a lungul ghirlandelor temporare de găuri negre și albe. Dacă găurile negre nu se formează dintr-un motiv sau altul (de exemplu, stelele nu se nasc), apare o fundătură - geneza (crearea) de noi universuri în această direcție este întreruptă. Dar, în circumstanțe favorabile, fluxul „vieții” poate relua și poate înflori chiar și dintr-o gaură neagră - pentru aceasta este necesar să se creeze condiții pentru producerea de noi generații de găuri negre în universurile ulterioare.

Cum pot apărea „circumstanțe favorabile” și de ce depind ele? În modelul nostru, acest lucru se datorează proprietăților materiei eficiente, care se naște sub acțiunea gravitației extreme în apropierea singularităților găurilor negre și albe. De fapt, vorbim despre tranziții de fază neliniare într-un sistem material cuantic-gravitațional, care au caracter de fluctuații și, prin urmare, sunt supuse unor modificări aleatorii (bifurcații). Urmând contrar sloganului lui Einstein, putem spune că „Dumnezeu aruncă zarurile”, iar apoi aceste zaruri (condițiile inițiale) se pot forma în domenii deterministe ale noilor universuri, sau pot rămâne „embrioni” nedezvoltați ai cosmogenezei. Aici, ca și în viață, există legi ale selecției naturale. Dar acesta este subiectul cercetărilor ulterioare și al lucrărilor viitoare.

CUM SE EVITA SINGULARITATEA

La un moment dat, a fost propus conceptul de Univers oscilant, sau ciclic, pe baza ipotezei „saritului”. Potrivit ei, Universul există sub forma unui număr infinit de cicluri. Expansiunea sa este înlocuită de contracția aproape la o singularitate, urmată din nou de expansiune și o serie de astfel de cicluri merg în trecut și viitor. Nu este un concept foarte clar, pentru că, în primul rând, nu există dovezi observaționale că într-o zi expansiunea lumii noastre va fi înlocuită de contracție, iar în al doilea rând, mecanismul fizic care face ca Universul să facă astfel de mișcări oscilatorii nu este clar.

O altă abordare a originii lumii este asociată cu ipoteza unui Univers de autovindecare, propusă de mulți ani de savantul rus A.D. Linde, care locuiește în SUA. Conform acestei ipoteze, lumea poate fi reprezentată ca un cazan care fierbe. La nivel global, Universul este o supă fierbinte cu o densitate energetică ridicată. În ea apar bule, care fie se prăbușesc, fie se extind și, în anumite condiții inițiale, pentru o lungă perioadă de timp. Se presupune că caracteristicile (orice la care vă puteți gândi, inclusiv un set de constante fundamentale) ale bulelor din lumi emergente au un anumit spectru și o gamă largă. Aici apar multe întrebări: de unde a venit un astfel de „bulion”, cine l-a preparat și ce îl întreține, cât de des se realizează condițiile inițiale, ducând la apariția universurilor de tipul nostru etc.

CUM SE POT FORMA SINGULARIȚIILE INTEGRABILE

Pe măsură ce ne apropiem de singularitate, forțele de maree în creștere acționează asupra vidului câmpurilor fizice, îl deformează și îl sparg. Există, după cum se spune, polarizarea vidului și nașterea particulelor de materie din vid - descompunerea acestuia.

O astfel de reacție a vidului fizic la acțiunea externă intensă a unui câmp gravitațional în schimbare rapidă este binecunoscută. Acesta este, de fapt, efectul gravitației cuantice - tensiunile gravitaționale sunt transformate în câmpuri materiale, are loc o redistribuire a gradelor fizice de libertate. Astăzi, astfel de efecte pot fi calculate în aproximarea câmpului slab (așa-numita limită semiclasică). În cazul nostru, vorbim de procese cuantico-gravitaționale neliniare puternice, unde este necesar să se țină cont de influența gravitațională inversă a materiei efective născute asupra evoluției metricii medii care determină proprietățile spațiului cu patru dimensiuni. timp (când efectele cuantice ale gravitației devin puternice, metrica devine „tremurândă” și nu putem vorbi despre asta decât în ​​sensul mediu).

Această direcție, desigur, necesită cercetări suplimentare. Cu toate acestea, se poate deja presupune că, conform principiului lui Le Chatelier, influența inversă va conduce la o astfel de rearanjare a spațiului metric, încât creșterea forțelor de maree, care provoacă nașterea nelimitată a materiei efective, va fi oprită și, în consecință , potențialele metrice vor înceta să diverge și vor rămâne finite și continue.

Doctor în științe fizice și matematice Vladimir Lukash,
Candidată la științe fizice și matematice Elena Mikheeva,
Candidat la științe fizice și matematice Vladimir Strokov (Centrul Astrospațial al FIAN),

Toți cei care au dat peste termenul „singularitate” au căutat să-și dea seama ce este? Dacă facem o traducere literală din latină, se dovedește că aceasta este o singularitate a unui eveniment, creatură, fenomen. Conceptul de singularitate (trăsătură) este comun în multe domenii ale științei și tehnologiei și are o anumită specificitate. În funcție de aceasta, singularitatea poate fi:

• matematic;
• gravitatie;
• cosmologic;
• tehnologic;
• biologic.

Dar dacă priviți mai filozofic, atunci singularitatea este întregul univers într-un punct mic. Și aceasta nu este doar întreaga substanță a Universului, ci și viața noastră, cu conștientizarea, semnificația și sentimentele ei.

Singularitatea cosmologică

Altfel, aceasta este starea pe care a avut-o Universul chiar în primul moment al Big Bang-ului. Se caracterizează prin prezența unor valori infinite ale densității și temperaturii substanței. Această stare, care a devenit un exemplu de singularitate gravitațională, a fost prezisă de Einstein în prevederile teoriei generale a relativității. Este incredibil de greu de imaginat că Soarele poate fi comprimat la dimensiunea unui nucleu atomic, dar este și mai greu de imaginat că întregul Univers a fost comprimat într-un punct mult mai mic decât acest nucleu. In orice caz, Universul a apărut dintr-un astfel de obiect, numit singularitate. Această versiune a evenimentelor este calculată matematic și este principala teorie a apariției lumii înconjurătoare. Dar există anumite dificultăți care nu sunt explicate de această teorie.

1. Nimeni nu știe exact unde se află punctul din miezul căruia s-a născut Universul nostru.
2. Nu este clar cum această caracteristică „a dat naștere” unor cantități nesfârșite de energie și materie.
3. De asemenea, eterogenitatea universului nu este complet clară. Conform tuturor canoanelor, ar fi trebuit să devină omogen, dar această uniformitate nu era nici măcar în gazul primar.
4. Legile fizice cunoscute nouă, care ajută la descrierea lumii cunoscute nouă, nu funcționează în cazul unei singularități. De aici rezultă că este posibil să descriem doar acele evenimente care au avut loc după Big Bang, dar nu explozia în sine și nu pragul acesteia.

Însuși faptul apariției unei singularități cosmologice, dacă continuăm înapoi în timp soluția care descrie dinamica expansiunii Universului, a fost dovedit de S. Hawking în 1967. Dar el a remarcat că singularitatea este eliminată din legile fizicii. Este imposibil ca densitatea și temperatura să aibă valori infinite în același timp. Densitatea infinită implică faptul că măsura haosului (entropia) tinde spre zero, iar aceasta nu se potrivește cu temperatura infinită. Singularitatea cosmologică (și însuși faptul existenței sale) a devenit una dintre principalele probleme ale cosmologiei. Aceasta rezultă din faptul că toate informațiile disponibile despre ceea ce s-a întâmplat după Big Bang nu oferă absolut nicio informație despre fenomenele care au precedat acest eveniment grandios. Dar lumea științifică încearcă în mod constant să rezolve această problemă, iar aceste încercări au loc în direcții diferite:

• Se presupune că se va putea descrie dinamica câmpului, acolo unde nu există singularități date, cu ajutorul gravitației cuantice, a cărei teorie nu a fost încă construită;
• Se crede că dacă se iau în considerare efectele cuantice în câmpurile negravitaționale, este posibilă încălcarea condiției de dominanță energetică, și anume, a subliniat Hawking;
• Există și alte teorii ale gravitației care nu fac apel la singularitate. În ele, substanța, comprimată la limită, cu ajutorul forțelor gravitaționale, experimentează nu atracție, ci repulsie.

Singularitatea gravitațională

Dacă vorbim în limbajul uscat al termenilor fizici, atunci acesta este un punct situat în spațiu-timp, prin care nu există nicio modalitate de a așeza uniform o linie geodezică. Adesea, singularitatea gravitațională face ca mărimile care descriu câmpul gravitațional să fie infinite sau nedefinite. Aceste mărimi includ, de exemplu, densitatea de energie sau curbura scalară. implică faptul că singularitățile trebuie să apară în timpul formării unei găuri negre. Dacă sunt sub orizontul evenimentelor, atunci nu pot fi observate. În cazul Big Bang-ului, există o simplă singularitate - observarea lui este destul de posibilă, cu excepția cazului în care, desigur, vă aflați în apropiere. Din păcate, este imposibil să-l vedem direct, prin urmare, pe baza nivelului de dezvoltare al fizicii moderne, este doar un obiect teoretic. Când sunt dezvoltate prevederile gravitației cuantice, va fi posibil să se descrie spațiul-timp în vecinătatea acestor obiecte.

Fiecare gaură neagră are două caracteristici principale - un orizont de evenimente și o singularitate, care este centrul acestei găuri. Există o distorsiune aici, precum și un decalaj în spațiu-timp. De fapt, aici legile fizicii își pierd logica. Există teorii că în astfel de puncte este foarte posibil să se facă o tranziție către alte lumi. A fost dezvoltat un model matematic - „Podul Einstein-Rosen”, care confirmă această opțiune. Acest lucru se poate face sărind prin singularitate. Aici se intersectează straturile Universului, formând un fel de tranziție subspațială. Este o combinație de două găuri - alb și negru. Acesta este un fel de mașină a timpului, iar însuși faptul tranziției nu intră în conflict cu principiul cauzalității. Săriți prin singularitatea unei găuri negre care se rotește va face posibilă călătoria în timp în orice direcție. Deoarece gaura neagră este înconjurată de un orizont de evenimente, singularitatea nu poate fi văzută în stare liberă. Dar totuși, se creează modele care permit acest lucru cu diferite grade de realism.

Dacă rotiți o gaură neagră până la o anumită viteză, orizontul evenimentelor se poate separa. Cu toate acestea, există câteva dificultăți aici. Pentru a roti o gaură neagră, trebuie să turnați o masă suplimentară în ea, ceea ce nu este foarte realist din cauza prezenței unei limite clare, dincolo de care rotația găurii este imposibilă. Dar, de obicei, se presupune că masa este adăugată la o gaură care se rotește deja foarte rapid. Și dacă presupunem că rotația tocmai a început? Această opțiune vă permite să rotiți gaura neagră într-o stare în care singularitatea sa devine deschisă. Este probabil ca găurile negre să călătorească prin univers, etalând o singularitate goală.

Singularitatea în matematică

Conceptul matematic al unei singularități date este un anumit punct în care o funcție matematică tinde spre infinit. Fie funcția are alte nereguli de comportament (în special, un punct critic).

Singularitatea tehnologică

Acest concept se referă în principal la domeniul futurologiei, o doctrină care încearcă să prezică viitorul. În acest caz, unele tendințe existente în tehnologie, economie, fenomene sociale sunt luate ca bază, apoi sunt extrapolate. Se crede că va veni în curând un moment în care progresul în știință și tehnologie va deveni dincolo de înțelegerea omului minte. Acest lucru va deveni probabil real după ce va apărea posibilitatea de a crea inteligență artificială și va fi ajustată producția de mașini care se reproduc singure. Integrarea unei persoane cu computere sau o schimbare bruscă a funcționalității creierului uman cu utilizarea biotehnologiei va duce la același rezultat. Aceasta va deveni singularitatea tehnologică pe care o prezic unii oameni de știință în viitorul apropiat. V. Widge crede că acest lucru se va întâmpla deja în 2030, iar R. Kurzweil amână revoluția până în anul 2045.

Singularitatea în biologie

În biologie, acest concept nu este adesea folosit. Este folosit de obicei ca o oarecare generalizare în procesul evolutiv.

Concluzii și sens

Dacă singularitățile matematice, tehnice și biologice au parametri destul de tangibili, atunci situația este mai complicată cu caracteristicile altor opțiuni. Este dificil să operezi cu concepte care nu pot fi „simțite” și evaluate. Calculele matematice sunt un lucru de încredere, dar numai dacă obiectele cercetării sunt suficient de materiale. Singularitatea este diferită. Nu numai că nu este material, dar nu a fost încă dovedit. Prin urmare, aplicarea sa, chiar ipotetică, ridică întrebări. Dacă poți călători prin el pentru a intra în alte dimensiuni, atunci cum să rămâi întreg, trecând prin Scylla și Charybdis gravitaționale? Probabil, fizicienii vor găsi în cele din urmă răspunsuri la toate întrebările. Și cu siguranță îi vom recunoaște și în sfârșit vom înțelege ce este o singularitate.

Bună ziua, dragi cititori ai site-ului blogului. În conversațiile cu oamenii, auzim uneori rare, de neînțeles pentru majoritatea, cuvântul „singularitate”. Pentru a da semnificație propriei persoane, o persoană folosește astfel de cuvinte, dar nu este capabilă să răspundă exact ce înseamnă.

O traducere literală din latină este ușor de găsit. Cuvânt singularisînseamnă special, unic, indică unicitatea orice eveniment, ființă, fenomen. Pare mult mai ușor, dar aici începe neînțelesul.

Acest concept este aplicabil în diferite sfere ale vieții umane, știință, tehnologie, filozofie. În fiecare zonă este explicat în mod specific. Pentru un cetățean fără experiență i se pare că vorbim despre lucruri complet diferite. Nu există nici un acord nici măcar în înțelegerea sensului cuvântului.

Înțelesul cuvântului

Parcă intenționat, pentru a încurca totul complet, mințile științifice au venit cu mai multe varietati de singularitate. Conform Wikipedia există:

Singularitatea în limbaj simplu

Da, nu devine mai ușor! Ești confuz și indignat: „Ce este asta, nu poate fi explicat în cuvinte simple?”. Sa incercam. Să luăm de exemplu cele două interpretări menționate mai sus și să explicăm toate acestea cât se poate de simplu (pe degete):

1. Gravitatie. Să presupunem că există o trapă deschisă pe drum. Pavajul este spațiu, marginea căminului este orizontul evenimentelor (limita curburii spațiului sau, mai frumos, orizontul evenimentelor). Nu poți vedea tot ce se întâmplă în interiorul gropii, dar gaura este formată dintr-un obiect singular.Arunci o piatră în trapă, ai ratat-o ​​- piatra a rămas în spațiul nostru. Următorul - au lovit, a zburat peste limita orizontului și a intrat în zona de singularitate (incertitudine);
2. Cosmologic. Imaginați-vă o minge mică cu temperatură și densitate nerealist. La un moment dat, explodează cu mare forță, formând o grămadă de fragmente, particule și praf. Imaginați-vă tot ce s-a întâmplat cu mingea în momentul exploziei? Aceasta se numește starea de singularitate.

Două interpretări comune ale acestui fenomen sunt capabile să descrie principalele sale trăsături distinctive:

Corespondența a ceva cu cel puțin unul dintre aceste semne indică faptul că ai o singularitate în fața ta.

Din ambele motive, singularitatea ilustrează cel mai clar gaură neagră. Se crede că în centrul său indicatorii tuturor caracteristicilor fizice sunt infiniti, legile fizicii nu se aplică, iar timpul curge după reguli necunoscute nouă. Deoarece este imposibil să preziceți comportamentul unui astfel de obiect, atunci prognoza își pierde orice sens.

Crezi că tot ceea ce este descris departe în timp, spațiu nu ne privește? Îți voi arăta că nu este.

Singularitatea în viața noastră

Majoritatea proceselor din societate, economie, istorie, biologie au loc în condiții care implică un punct de singularitate la un anumit moment în timp. Dezvoltarea acestui fenomen se bazează pe legea hiperbolei. În prezent, procesele care au apărut cu miliarde de ani în urmă se apropie de deznodământul lor în jurul nostru.

Umanitatea și produsul global

Cel mai de înțeles exemplu este creșterea populației Pământului și creșterea rezervelor mondiale de produs. Relațiile condiționate de anumite condiții se construiesc de mii de ani. Dacă lăsăm aceste dependențe neschimbate acum și le continuăm în viitor, foarte curând vom ajunge la punctul de singularitate.

Numărul de oameni de pe planetă și produsul mondial au fost mult timp calculate de oamenii de știință. În urmă cu două sau trei decenii, a devenit clar că numărul de oameni crește în funcție de o hiperbolă pătratică, iar producția - după una simplă, adică de 2 ori mai lentă.

Prognozele au arătat că în perioada 2005-2020 va veni momentul punctului de singularitate. Adică astăzi suntem în interiorul acestui fenomen. Spune-mi, observi în jurul tău abundență și bogăție atotcuprinzătoare?

Și din nou singularitatea tehnologică

Însuși punctul în care complexitatea dezvoltării tehnologiilor va fi inaccesibilă înțelegerii umane nu este departe. Probabil că o vom întâlni din 2030 până în 2045. Scenariul evenimentelor probabile este cunoscut de toată lumea din filmele științifico-fantastice.

Revoluții biologice

Singularitatea în biologia Pământului este un lucru comun. a avut loc cu creșterea hiperbolic a populației până la un anumit punct. De exemplu, dinozaurii erau stăpânii planetei. Dar după evenimentele revoluționare, acestea aproape au dispărut. Cu excepția cazului în care crocodilii ocupă modest o nișă nesemnificativă.

Când experții au analizat periodicitatea datelor revoluțiilor care au avut loc în biologie și apoi au adăugat neliniștea umană la aceste informații, au observat o legătură clară cu punctul de singularitate din regiunea 2010-2050.

Singularitatea în istorie

Acest fenomen s-a întâmplat destul de des. Amintiți-vă de istoria statelor și a imperiilor. De exemplu, Roma antică, la începutul dezvoltării sale, s-a dezvoltat conform legii hiperbolei.

Creșterea populației a determinat acapararea teritoriilor, a determinat o oarecare dezvoltare tehnică. Aceasta a continuat până la câteva ciumă, când până la o treime din populație a murit. După aceea, omenirea s-a gândit la densitatea locuitorilor într-un singur loc.

Încercările de a restabili numărul de oameni au permis imperiului să reziste ceva mai mult timp. Dar totuși, statul s-a prăbușit din mai multe motive. Deci, algoritmul este o creștere bruscă, dezechilibru, fluctuații mici, o schimbare a echilibrului resurselor și moartea.

Predestinații similare au fost găsite în:

1. ştiinţă;
2. demografie;
3. economie;
4. cultura si alte domenii ale vietii umane.

constatări

În perioada istorică specificată, ar trebui să se întâmple ceva incredibil de important, comparabil cu eliberarea organismelor vii pe uscat, care va schimba radical viitorul.

Doar să nu spuneți că totul este pierdut și că suntem destinați soartei crocodililor. La urma urmei, Roma nu a dispărut fără urmă. Da, suntem diferiți de dinozauri. Putem gândi, face previziuni, căutăm soluții și adaptăm mediul la nevoile noastre.

Principalul lucru este să înțelegeți ce se întâmplă și să schimbați condițiile jocului la timp pentru a preveni procesele ireversibile.

Pentru că singularitatea este un punct de densitate infinită, unde toate legile fizicii sunt încălcate, iar ipotezele despre viitor sunt necunoscute. Totul din el își pierde sensul. Și nici înțelegerea a ceea ce se întâmplă nu contează.

Multă baftă! Ne vedem curând pe site-ul paginilor blogului

S-ar putea să fiți interesat

Definiția este arta de a da definiții în mod concis și clar. Ce este teoria și de ce sunt bune metodele teoretice de cunoaștere? Aspect - utilizare colocvială și tratament științific Ce este o tăietură Ce este legea Ce sunt actele juridice de reglementare și care sunt actele juridice Cum se scrie HARDLY Ce este legitimitatea în cuvinte simple Ce este un punct culminant Logica este baza și legile gândirii corecte Ce este AUE - decodare și semnificație, informații despre subcultură Ce este compoziția

Ne întoarcem la considerarea celei mai importante probleme a cosmologiei - problema începutului expansiunii cosmologice, problema singularității. Rezultatul generalizator al secțiunilor anterioare este că Universul se extinde izotrop și uniform, începând cel puțin din momentul în care egalitatea a fost satisfăcută și cu un grad mare de probabilitate a fost descris de modelul Friedman mult mai devreme, începând din epoca sinteza elementelor chimice, adică din primele secunde de expansiune și din densități de ordin

Ce a fost înainte? S-a extins Universul Friedmannian pornind de la singularitate (sau cel puțin din momentul „planckian”, sau epoca timpurie a fost esențial non-friedmanniană? A trecut materia Universului printr-o densitate infinit mai mare (sau cel puțin prin „planckiană”? densitatea sau contracția Universului într-o epocă și mai timpurie a lăsat loc expansiunii la o densitate finită [vezi, de exemplu, Alfven (1971)]?

Conform modelului lui Friedman, expansiunea Universului a pornit de la o singularitate. Începând cu anii 1930, de zeci de ani, cosmologia s-a confruntat dacă prezența unei singularități la începutul expansiunii este o proprietate specială a modelului Friedman (și a altor modele suficient de simetrice), singularitatea va dispărea atunci când mici viteze particulare ale materiei sau rotație. sunt introduse?

Analogia cu problema mecanică a extinderii mingii din teoria lui Newton a susținut astfel de presupuneri. Într-adevăr, dacă luăm în considerare în teoria lui Newton expansiunea particulelor gravitatoare care zboară simultan de-a lungul razelor dintr-un punct, atunci expansiunea începe de la o singularitate. Cu toate acestea, în prezența unor viteze particulare mici, punctele zboară unele pe lângă altele în apropierea centrului, densitatea particulelor este întotdeauna finită și nu există singularități.

apărea. Poate o situație similară este posibilă în problema cosmologică a teoriei lui Einstein?

Aici este esențial de remarcat o circumstanță, care este subliniată de Lifshitz și Khalatnikov (1963a, b). Dacă nu a existat o singularitate în trecut și expansiunea observată a Universului în trecut a fost precedată de contracție, atunci modelul cosmologic care descrie trecerea materiei prin densitatea maximă și expansiunea ulterioară trebuie să fie stabil, adică să se facă referire la „general”. soluție” în terminologia lui Lifshitz și Khalatnikov. Cu alte cuvinte, să existe un model fără o singularitate care descrie comprimarea materiei la o densitate finită (fără o singularitate) și apoi expansiunea ei și o mică modificare a parametrilor modelului în faza de compresie să conducă la apariția o singularitate. Atunci, evident, acest model nu poate fi implementat în realitate, deoarece vor exista întotdeauna fluctuații aleatorii care vor duce modelul departe de o soluție fără singularitate. Astfel, o soluție fără singularitate nu trebuie să fie excepțională, nu degenerată, ci generală pentru a pretinde că descrie Universul real.

Totuși, dacă extensia pleacă de la o singularitate, atunci cerința pentru generalitatea soluției în apropierea singularității nu mai este necesară. Într-adevăr, în acest caz, condițiile inițiale care determină soluția sunt date de unele procese necunoscute la curburi uriașe ale spațiu-timpului, adică în condiții care nu sunt descrise de teoria modernă. Este posibil ca procesele în acest caz să conducă la condiții inițiale speciale pentru expansiunea Universului, de exemplu, la omogenitate și izotropie aproape completă [vezi. Peebles (1971a)]. Prin urmare, chiar dacă s-ar putea demonstra că soluția generală nu conține o singularitate, aceasta nu ar însemna că expansiunea nu a pornit de la singularitate.

Deci, cosmologia s-a confruntat cu două întrebări diferite: 1) există o soluție cosmologică generală (în sensul de „stabilă”) fără o singularitate? și 2) a existat o singularitate în trecut în condițiile care au loc în universul real?

La sfârșitul anilor 1960, a fost dat un răspuns pozitiv la a doua întrebare (Penrose, Hawking, Geroch). S-a dovedit că expansiunea Universului a început cu o singularitate (dacă, desigur, GR este valid, dar schimbarea în GR în sine, dacă este asociată cu o curbură mare, necesită „aproape” o singularitate), totuși, cum exact s-a desfășurat expansiunea în apropierea singularității - conform lui Friedman sau într-un mod mai complex, nu a fost stabilit. După aceste lucrări, acuitatea primei întrebări pentru cosmologie a dispărut. Într-adevăr, structura soluției în apropierea singularității nu corespunde neapărat cu soluția generală și se pune problema: într-un fel

stabilește adevărata natură a începutului expansiunii universului real.

În 1972, după o muncă îndelungată, Belinsky, Lifshitz și Khalatnikov au construit o soluție generală (stabilă) cu o singularitate, adică au dat un răspuns pozitiv la prima întrebare.

În ceea ce privește proprietățile sale, soluția generală s-a dovedit a fi calitativ aceeași cu soluția din apropierea singularității pentru modelul lumii „mixte” (vezi §§ 4 și 5 din Cap. 21).

În prezentarea ulterioară, ne vom concentra pe demonstrarea prezenței unei singularități în trecut în Univers și pe procesele fizice din apropierea singularității în sine. Se poate spera că în viitor o analiză a acestor procese și a consecințelor lor va face posibilă stabilirea adevăratei naturi a expansiunii Universului în stadii incipiente, la densități care o depășesc substanțial pe cea nucleară.