Что такое квантовая сингулярность
Было ли у Вселенной начало?
Мы не так часто об этом задумываемся и все же, было ли у Вселенной начало? Согласно ведущей космологической теории, наша Вселенная родилась в результате Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется с ускорением. Но не все исследователи полагают, что в действительности дело было именно так. Профессор Ливерпульского университета в Великобритании, физик Бруно Бенто считает, что никакого начала Вселенной не было. Возможно, то, что мы называем Вселенной, существовало всегда – и новая теория квантовой гравитации, кажется, может объяснить почему. В ходе работы Бенто и его коллеги использовали новую теорию под названием теория причинных множеств, согласно которой пространство и время разбиты на дискретные фрагменты. На каком-то уровне, как отмечают исследователи, существует фундаментальная единица пространства-времени. Используя новый подход, основанный на причинно-следственных связях, физики обнаружили, что у Вселенной, вполне возможно, не было начала: она существовала всегда, в бесконечном прошлом и лишь недавно превратилась в то, что мы называем Большим взрывом.
Квантовая гравитация, пожалуй, самая неприятная проблема, с которой сталкивается современная физика. У нас есть две чрезвычайно эффективные теории Вселенной: квантовая физика и общая теория относительности.
Главная сила природы
Гравитация, как известно, является генеральным директором космоса, повелителем Вселенной, если хотите. Именно эта сила позволяет звездам и планетам вращаться по орбите, а черным дырам поглощать любые объекты, что оказались поблизости. Благодаря гравитации яблоко упало на голову Исаака Ньютона, а мы с вами не улетаем в небо, стоит нам оторваться от земли.
Будучи фундаментальной силой Вселенной гравитация – в нашем, человеческом понимании – объясняет как движутся небесные тела, а также является главенствующей силой на Земле. Однако, если Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) прекрасно справляется с описанием мира, видимого невооруженным глазом, она, увы, не в полной мере описывает законы, по которым существует таинственный и невидимый мир атомов и частиц. Этот удивительный мир описывает квантовая механика.
Квантовая механика описывает то, как взаимодействуют друг с другом элементарные частицы.
Но так как мы не видим взаимодействия элементарных частиц, нам кажется странным, что квантовый мир так сильно отличается от знакомых объектов (хотя объекты эти целиком и полностью состоят из этих самых частиц).
Так что когда мы смотрим за пределы Земли, на Вселенную, которая намного шире, и начинаем рассматривать большие явления, отложить квантовую физику в сторону не получится.
Квантовая физика подарила миру успешное описание трех из четырех фундаментальных сил природы (электромагнетизма, слабого взаимодействия и сильного взаимодействия) вплоть до микроскопических масштабов. А Общая теория относительности является самым мощным и полным описанием гравитации, когда-либо разработанным.
Наш мир намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить. Но шанс разгадать фундаментальные тайны Вселенной у нас есть.
Но вернемся к гравитации. Она, как мы уже говорили выше, не вписывается в квантовый мир. И даже в работе Эйнштейна уравнения поля для гравитации не проквантованы. Хотя большинство физиков убеждены, что должен быть какой-то способ объединения гравитации с тремя фундаментальными силами, квантовыми по своей сущности, он по-прежнему представляется трудным для понимания.
Альберт Эйнштейн потратил большую часть последних 30 лет своей жизни на поиск способа сближения гравитации с другими силами, но ему это не удалось.
Таким образом, квантовая гравитация – это общий термин для теорий, которые пытаются объединить гравитацию с другими фундаментальными силами физики (которые уже объединены вместе). Обычно она предполагает существование теоретической виртуальной частицы – гравитона, который опосредует гравитационную силу.
Интересно, что именно наличие гравитона отличает квантовую гравитацию от некоторых других объединенных теорий поля. И все же вынуждены отметить, что ряд существующих теорий наличия гравитона не требуют.
Теория квантовой гравитации
Ожидается, что гравитон не будет обладать массой (так как действует мгновенно на больших расстояниях), однако, основная проблема экспериментальной проверки любой теории квантовой гравитации заключается в том, что уровни энергии, необходимые для наблюдения гипотез, недостижимы в современных лабораторных экспериментах.
Ткань пространства-времени искривляется массой Солнца
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал на платформе Пульс от Mail.ru! Так вы точно не пропустите ничего интересного!
Предположения квантовой гравитации, как правило, заключаются в том, что такая теория окажется одновременно простой и элегантной. По крайней мере в двух конкретных местах во Вселенной, где математика общей теории относительности просто ломается и невозможно получить надежных результатов: в центрах черных дыр и в начале Вселенной.
Эти области называются «сингулярностями» – точками в пространстве-времени, где рушатся знакомые нам законы физики. По сути, сингулярность – это математическое предупреждение о том, что ОТО Эйнштейна спотыкается о саму себя. В обеих этих сингулярностях гравитация становится невероятно сильной в очень малых масштабах.
Но как разгадать тайну сингулярности? Для начала, физикам нужна теория квантовой гравитации. На самом деле на ее роль существует множество претендентов, включая теорию струн и теорию петлевой квантовой гравитации, подробнее о которой мы рассказывали здесь. Но есть еще один подход, который полностью переписывает наше понимание пространства и времени.
Теория причинных множеств
Во всех современных теориях пространство и время непрерывны. Они образуют гладкую ткань, которая лежит в основе всей реальности. В таком непрерывном пространстве-времени две точки могут находиться как можно ближе друг к другу в пространстве, и два события могут произойти как можно ближе друг к другу во времени.
Но другой подход, называемый теорией причинных множеств, переосмысливает пространство-время как серию дискретных фрагментов, или «атомов» пространства-времени. Эта теория установила бы строгие ограничения на то, насколько близкими могут быть события в пространстве и времени, поскольку они не могут быть ближе, чем размер «атома».
Новая теория, возможно, сможет объединить ОТО и квантовую механику.
Например, когда вы смотрите на экран, читая эту статью, все кажется гладким и непрерывным. Но если бы вы посмотрели на этот экран через увеличительное стекло, то увидели бы пиксели, которые разделяют пространство и обнаружили бы, что невозможно приблизить два изображения на экране ближе, чем на один пиксель. Эта теория взволновала физика Бруно Бенто из Ливерпульского университета.
Я был взволнован, обнаружив эту теорию, которая не только пытается быть как можно более фундаментальной – являясь подходом к квантовой гравитации и фактически переосмысливая само понятие пространства-времени, но также отводит центральную роль времени и его течению, – рассказал физик в интервью Live Science.
«Огромная часть философии причинно-следственных связей заключается в том, что течение времени является чем-то физическим, что его не следует приписывать какой-то возникающей иллюзии или чему-то, что происходит внутри нашего мозга, что заставляет нас думать, что время течет; это прохождение само по себе является проявлением физической теории», – пишут авторы научной работы.
Теория причинных множеств имеет важные последствия для природы времени.
Итак, в теории причинных множеств причинный набор будет расти по одному «атому» за раз и становиться все больше и больше». Подход с причинно-следственными связями аккуратно устраняет проблему сингулярности Большого взрыва, потому что в теории сингулярности не могут существовать. Материя не может сжаться до бесконечно малых точек – они могут стать не меньше размера атома пространства-времени.
Человеческому глазу не подвластен микромир. Е счастью, у нас есть инструменты, позволяющие увидеть атомы и электроны.
Но как в таком случае выглядит начало нашей Вселенной? Как полагает Ленту и его коллега Став Залель, аспирант Лондонского Имперского колледжа, теория причинных множеств может об этом многое рассказать. Их работа пока что не прошла экспертную оценку и опубликована на сервере препринтов arXiv.
В ней физики рассмотрели вопрос о том, «должно ли существовать начало Вселенной в подходе с причинно-следственными связями». В первоначальной формулировке причинный набор вырастает из ничего во Вселенную, которую мы видим сегодня. В новой работе Большого взрыва в качестве начала Вселенной не было, поскольку причинно-следственная связь была бы бесконечной в прошлом. Это означает, что в прошлом всегда было что-то еще.
Согласитесь, весьма захватывающее исследование. В конце концов, больше ста лет физики не могут объединить квантовый мир и мир, который мы видим перед собой. Но даже если работа пройдет экспертную оценку и будет опубликована в научном журнале, у ученых впереди очень много работы.
Ведь мы по-прежнему не знаем, может ли этот беспричинный причинно-следственный подход позволить использовать физические теории для описания сложной эволюции Вселенной во время Большого взрыва.
Возможно когда-нибудь мы разгадаем величайшие тайны Вселенной
Таким образом, вопрос о том, можно ли новый подход интерпретировать «разумным» образом остается открытым. Однако исследователям удалось показать, что подобная структура действительно возможна. По крайней мере математически. Так что в ближайшее время мы и правда может узнать, было ли у Вселенной начало или же она существовала всегда. Будем ждать.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Мы с вами живем на огромном шаре. Он вращается вокруг своей оси и вокруг гигантской горячей звезды, которая находится внутри галактики, расположенной где-то …
Основываясь на данных нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе, ученые сообщили о некотором прогрессе в понимании старой тайны о том, как и где рождаю…
Что такое сингулярность
Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. В разговорах с людьми мы иногда слышим редкое, непонятное большинству, слово «сингулярность». Для придания значимости собственной персоне, человек вворачивает подобные словечки, но точно ответить, что оно означает, не в состоянии.
Дословный перевод с латыни найти несложно. Слово singularis означает особенный, единственный, указывает на уникальность какого-либо события, существа, явления. Кажется, куда проще, но тут начинаются непонятности.
Это понятие применимо в разных сферах жизни человека, науки, техники, философии. В каждой области оно объясняется специфично. Неискушенному гражданину кажется, что речь идет о совсем непохожих вещах. Нет согласия даже в понимании значения слова.
Значение слова
Словно специально, чтобы запутать все окончательно, ученые умы придумали несколько разновидностей сингулярности. Согласно википедии бывают:
Сингулярность понятным языком
Да, легче не стало! Вы растеряны и возмущены: «Что это, простыми словами объяснить нельзя?». Давайте попробуем. Возьмем для примера два упомянутых выше трактования и объясним все это максимально просто (на пальцах):
Вы бросаете в люк один камень, промахнулись – камень остался в нашем пространстве. Следующий – попали, он пролетел границу горизонта и попал в зону сингулярности (неопределенности);
Два распространенных толкования этого явления способны описать его основные отличительные признаки:
Соответствие чего-то хотя бы одному из этих признаков говорит о том, что перед вами сингулярность.
Наиболее ярко по обоим признакам сингулярность иллюстрирует черная дыра. Считается, что в ее центре показатели всех физических характеристик бесконечны, законы физики не действуют, а время течет по неизвестным нам правилам. Поскольку предсказать поведение такого объекта невозможно, то и прогнозирование утрачивает всякий смысл.
Думаете, что все описанное далеко во времени, пространстве и нас не касается? Я покажу вам, что это не так.
Сингулярность в нашей жизни
Большинство процессов в обществе, экономике, истории, биологии происходит по условиям, предполагающим точку сингулярности в определенный момент времени. В основе развития этого явления лежит закон гиперболы. Прямо сейчас вокруг нас приближаются к своей развязке процессы, которые зарождались миллиарды лет назад.
Человечество и мировой продукт
Самый понятный пример – возрастание численности населения Земли и прирост мировых запасов продукта. Связи, обусловленные определенными условиями, строились тысячелетиями. Если сейчас оставить эти зависимости без изменения и продолжить их в будущее, очень скоро мы подойдем к точке сингулярности.
Количество людей на планете и мировой продукт были давно подсчитаны учеными. Еще два-три десятилетия назад стало понятно, что число людей увеличивается по квадратичной гиперболе, а производство продукции – по простой, то есть в 2 раза медленнее.
Прогнозы показывали, что в период с 2005 по 2020 год настанет время точки сингулярности. То есть сегодня мы внутри этого явления. Скажите, вы наблюдаете вокруг всеобъемлющее изобилие и богатство?
И снова технологическая сингулярность
Та самая точка, когда сложность развивающихся технологий будет недоступна человеческому пониманию, не за горами. Предположительно мы встретим ее с 2030 до 2045 года. Сценарий вероятных событий известен всем из фантастических фильмов.
Биологические революции
Сингулярность в биологии Земли дело привычное. Каждая революция происходила при гиперболическом росте популяции до какого-то момента. К примеру, динозавры были хозяевами планеты. Но после революционных событий их почти не осталось. Разве что крокодилы скромно занимают несущественную нишу.
Когда ученые мужи проанализировали периодичность дат революций, происходивших в биологии, а потом добавили к этой информации человеческие волнения, они заметили четкую связь с точкой сингулярности в районе 2010—2050 годов.
Сингулярность в истории
Это явление случалось довольно часто. Вспомните истории государств и империй. Скажем, Древний Рим в начале своего развития развивался по закону гиперболы.
Рост населения стал причиной захвата территорий, определил некоторое техническое развитие. Так продолжалось до нескольких эпидемий чумы, когда умерло до трети населения. После этого человечество задумалось о плотности жителей в одном месте.
Попытки восстановить количество людей позволили империи продержаться еще какое-то время. Но все равно государство по многим причинам распалось. Итак, алгоритм – резкий рост, нарушение равновесия, небольшие колебания, смена баланса ресурсов и гибель.
Похожие предопределенности были обнаружены в:
Выводы
В указанный исторический промежуток должно произойти что-то неимоверно важное, сравнимое с выходом живых организмов на сушу, что в корне изменит будущее.
Только не говорите, что все пропало и нам уготована участь крокодилов. Ведь и Рим не исчез бесследно. Да и мы отличаемся от динозавров. Мы можем думать, делать прогнозы, искать решения и адаптировать среду под свои потребности.
Главное, понимать что происходит и вовремя менять условия игры, чтобы не допускать необратимых процессов.
Потому что сингулярность – это точка с бесконечной плотностью, где нарушены все законы физики, а предположения о будущем неизвестны. В ней все теряет смысл. И осмысление происходящего тоже не имеет значения.
Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru
Эта статья относится к рубрикам:
Комментарии и отзывы (9)
Пример с асфальтом и люком — абсолютно бредовый. Почему пространство стало плоское? Камень попавший в люк остается в пространстве.
Слово «сингулярность», будем считать, придумано людьми. Хотя и это вопрос спорный. Как допущение, годится. Другого ничего предложить не возможно. А если это так, то люди и вправе давать толкование этому слову. Ну и что, что его применяют в разных областях знаний. Да на здоровье. Кому от этого вред.
сингулярность — степень неопределенности (ЭНТРОПИЯ) стремится к бесконечности
Сингулярность — кердык всему в некой точке вселенной.
Когда-нибудь слыхали про Новохоперскую аномальную зону, что в районе Воронежского заповедника? Вот это и есть геодезическая зона сингулярности, там регистрировались даже искажения на фото, когда фотографировали скажем в 80-е годы 20 века, а видели очертания иностранных интервентов времен Гражданской войны, белочехов и прочих.
Вообще это очень опасно, человек может физически переместиться в другой слой информационного поля, как скажем и во время управляемого сновидения. И исчезнуть для нашего информационного поля насовсем.
Учёные вообще любят всякие непонятные словечки употреблять, вот кто-то смог заглянуть внутрь черной дыры? Конечно нет, так с чего учёные взяли, что законы физики там не работают?
Ну есть очень плотное тело, обладающее огромной гравитацией, что на определенном расстоянии от него все тела будут обречены на падение на поверхность этого тела и нет такой скорости, на которой можно было бы преодолеть эту гравитацию. Вот так мне понятно, но физикам же скучно и они какие-то сингулярности придумывают.
камент на каменты к этой страничке написал ещё В.Высоцкий:
«Товарищи ученые! не сомлевайтесь, милые, коль что у вас не ладится, ну там не тот аффект, мы мигом к вам заявимся с лопатами и с вилами, денёчек покумекаем и выправим дефект!»
Как говорится, когда ученому нечего сказать, он переходит на формулы, так же и здесь. А вообще, наука-большой лохотрон, помимо реальных людей, понимающих то о чем они говорят, четко представляющих происходящие процессы, в науку затесались и проходимцы, разного рода, которые пришли тупо зарабатывать. Отсюда и путаница.
«Талантам надо помогать, бездарности пробьются», даже сквозь сингулярность.
Идея сингулярности перед Большим взрывом устарела
Иллюстрация нашей космической истории, от Большого взрыва и до сегодняшнего дня, в контексте расширяющейся Вселенной. Большому взрыву предшествовало состояние космической инфляции, но идея о том, что перед этим должна была существовать сингулярность, ужасно устарела.
Почти все слышали о Большом взрыве. Но если попросить разных людей, от обывателей до космологов, закончить предложение: «Вначале было…», вы получите множество различных ответов. Один из наиболее распространённых – «сингулярность», то есть, момент, когда вся материя и энергия Вселенной сконцентрировались в одной точке. Температура, плотность и энергия были бы сколь угодно, бесконечно большими, и это могло совпадать с зарождением самого пространства и времени.
Но эта картина не просто неверна, она уже лет 40, как устарела! Мы совершенно уверены в том, что с горячим Большим взрывом не было связано никакой сингулярности, и у пространства и времени могло вообще не быть момента зарождения. Вот, что нам известно, и откуда.
Астрономическое наблюдение GOODS-Север, проведённое при помощи телескопа Хаббл, позволило рассмотреть некоторые из наиболее удалённых галактик, которые мы когда-либо видели, многие из которых уже находятся на недостижимом для нас расстоянии. Заглядывая всё дальше и дальше, мы обнаруживаем, что наиболее удалённые галактики удаляются от нас всё быстрее и быстрее, благодаря расширению Вселенной.
Сегодняшняя Вселенная заполнена галактиками во всех направлениях и на разных расстояниях. В среднем, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Это происходит не из-за реального движения галактик в локальном для них космосе; всему виной расширение самой ткани пространства.
Такое предсказание было одним из необычных результатов, полученных из Общей теории относительности в 1922 году советским физиком Александром Фридманом, которое потом было подтверждено в наблюдениях Эдвина Хаббла и других учёных в 1920-х. Это означает, что с течением времени материя Вселенной рассредоточивается и становится менее плотной, поскольку объём Вселенной увеличивается. Это также означает, что в прошлом Вселенная была плотнее, горячее и более однородной.
Экстраполировав развитие назад, мы приходим к ранним более горячим и плотным состояниям. Приводит ли всё это к сингулярности, в которой перестают работать законы физики?
Звёзды и галактики, которые мы видим сегодня, не существовали всегда. Чем дальше мы пройдём назад по времени, тем ближе к сингулярности будет подходить Вселенная – но у экстраполяции есть свои ограничения.
Однако, если бы всё было именно так, и Вселенная в прошлом имела сколь угодно высокие температуры, у такого состояния было бы несколько явных признаков, которые можно было бы наблюдать и сегодня. В остаточном свечении Большого взрыва были бы температурные флуктуации огромных амплитуд. Видимые нами флуктуации были бы ограничены скоростью света, они появлялись бы только на масштабах, не больших космического горизонта. Должны были остаться реликты космоса высоких энергий, такие, как магнитные монополи.
Флуктуации реликтового излучения настолько малы и настолько характерны, что из них определённо следует тот факт, что в начале Вселенной повсюду была одна и та же температура. Размер флуктуаций в 1/30 000 совершенно не соответствует Большому взрыву произвольной температуры.
Космическая история известной Вселенной показывает, что происхождением всей материи и всего света внутри неё мы обязаны окончанию инфляции и началу горячего Большого взрыва. С тех пор 13,8 млрд лет шла космическая эволюция. Такую картину развития подтверждают большинство источников.
Что же породило инфляцию? На эту тему ведётся множество исследований и рассуждений, однако никто этого не знает. Не существует свидетельств, на которые можно было бы опереться, никаких наблюдений, которые можно было бы сделать, никаких экспериментов, которые можно было бы провести. Некоторые люди делают ошибочные заявления вроде:
Есть множество графиков и картинок, созданных ведущими космологами, иллюстрирующих данный сценарий. Но это не означает, что он верен.
Иллюстрация флуктуаций плотности (скаляр) и гравитационных волн (тензор), появившихся по окончанию инфляции. Предположение о существовании сингулярности до инфляции не обязательно будет верным.
Есть очень серьёзные основания полагать, что это не так! Мы можем математически продемонстрировать невозможность появления инфляционного состояния из сингулярности. И вот, почему: пространство во время инфляции расширяется с экспоненциальной скоростью. Представьте себе, как работает экспонента: по прошествии определённого количества времени Вселенная удваивает размер. Пройдёт в два раза больше времени, она удвоится два раза, то есть станет в четыре раза больше. Подождите три таких промежутка времени, и она удвоится три раза, то есть станет в 8 раз больше. Подождите 10 или 100 таких отрезков времени, и эти удвоения сделают Вселенную в 2 10 или 2 100 раз больше.
Синяя и красная линия – традиционный сценарий Большого взрыва, когда всё начинается в момент времени t=0, включая и само пространство-время. В инфляционном сценарии (жёлтый) мы никогда не приходим к сингулярности, в которой пространство принимает сингулярное состояние. Оно может стать сколько угодно малым в прошлом, а время продолжается бесконечно. Определить длительность этого состояния пытаются условие отсутствия границ Хокинга-Хартла и теорема Борда-Гута-Виленкина, но их нельзя назвать окончательными.
Среди космологов хорошо известна теорема, демонстрирующая неполноту прошлого инфляционного состояния. Это означает, что все частицы, существующие во Вселенной, испытывающей инфляцию, рано или поздно встретятся при экстраполяции назад по времени. Это, однако, не означает, что сингулярность обязательно существовала – просто инфляция не описывает всё, что происходило в истории Вселенной, например, её рождение. Нам также известно, что инфляция не может появиться из сингулярного состояния, поскольку испытывающий инфляцию участок всегда должен начинать с конечного размера.
Флуктуации пространства-времени на квантовом масштабе во время инфляции растягиваются по всей Вселенной, и порождают несовершенства в плотности и гравитационных волнах. Возникла ли инфляция из сингулярности, или нет, нам неизвестно.
И это – последний на Хабре перевод статьи Итана Сигеля (и в принципе статьи на тему космологии), поскольку тематику ресурса было решено сконцентрировать на разработке и IT.