На сегодняшний момент вопрос о том, что такое сингулярность, волнует не только людей, интересующихся наукой, но и лучших ученых мира. Этот термин нам встречается в математике, физике, астрономии, космологии и прочих точных науках. Его трактовка немного варьируется, но принцип остается прежним. Потому сейчас мы поочередно рассмотрим, что такое сингулярность с различных точек зрения, и выясним, чем так интересно для исследователей это загадочное явление.
Общая трактовка термина
Перед тем как мы начнем углубляться в тайны Вселенной, обратимся к истории мироздания. Самой правильной на нынешней момент версией возникновения мира является теория Большого взрыва. В момент зарождения всего того, что нас окружает, была лишь одна-единственная точка сингулярности. Ее размеры точно неизвестны, но для понимания ученые часто сравнивают ее с горошиной. При этом не стоит думать, что этот мини-шарик можно было бы удержать в руке. Его масса равнялась массе всех звезд и галактик, которые сегодня есть в космосе. Более того, температура этой горошины просто зашкаливала, а сила гравитации в ней была выше, чем у ныне существующих черных дыр. Иными словами, точка сингулярности – это единица пространства-времени, в которой заключалась вся материя, наполняющая нашу Вселенную.
Как появилось время?
Непременно стоит выделить, что под термином «материя» подразумевается не только космическое пространство, состоящее из миллиардов астрономических единиц, но и все временные отрезки. Да, представить себе это сложно, но чтобы понять, что такое сингулярность, нужно представить себе время как пространственное измерение, в котором можно перемещаться как вперед, так и назад. Все это неразрывно связано с кривизной пространства, о которой мы поговорим ниже. Ученым также неизвестно, в течение какого времени по земным меркам существовала эта горошина. Парадоксально то, что в таком сжатом состоянии в любом измерении бесконечность равна нулю. Позже точка сингулярности стала расти, температура в ней падала, частицы отталкивались друг от друга. Так время отделилось от остальных измерений и перестало быть пространственной единицей. Потому сегодня оно может идти только вперед.
Космологические понятия
Как известно, наука космология занимается изучением эволюции Вселенной. Тут рассматриваются все так называемые эпохи, которые последовали после Большого взрыва. Именно в соответствии с этой теорией ученые выдвинули гипотезу о том, что Вселенная возникла из сингулярности. При этом период существования последней установить невозможно. Исходя из этого, до сих пор тщательно прорабатываются две наиболее правдоподобные версии. Первая заключается в том, что наш мир статичен. Большой взрыв произошел в определенный момент, когда все частицы, находящиеся в состоянии бесконечного сжатия, резко оттолкнулись друг от друга. Кроме того, сингулярность Вселенной до момента взрыва характеризовалась наличием материи и антиматерии. В наши дни ученые не обнаружили ни единой античастицы. Вторая версия строится на том, что Большой взрыв – это настоящее космоса. Установлено, что галактики постоянно удаляются друг от друга, следовательно, процесс расширения мира продолжается по сей день.
Сингулярность в космологии
В эволюции космоса, как это ни странно, нет места действующим на Земле физическим формулам и законам. Это явление наглядно нам демонстрирует космологическая сингулярность. Конечно же, на практике выяснить, в каком состоянии в момент зарождения мира пребывала материя, невозможно, но теоретически ученые высчитали парадоксальные закономерности. Первое – кривизна пространства-времени. Это означает, что проложить ровную геодезическую линию или угол в сфере сингулярности невозможно. Второе – это, как мы уже говорили, совсем иное время. Тут можно попасть в любую точку на временном отрезке. Космологическая сингулярность, по мнению ученых, - точка отсчета, которая именуется Большим взрывом. В этот период плотность и температура вещества близились к бесконечным. Одновременно мера хаоса стремилась к нулю, умножая на себя две предыдущие единицы. С точки зрения земной физики температура и плотность не могут одновременно пребывать в бесконечном состоянии. И это лишь один из множества парадоксов, которые ученые так и не могут разгадать.
Старая и новая теория
Много лет назад Альберт Эйнштейн подарил миру знаменитую теорию относительности, которую ныне называют теорией гравитации. Благодаря ей мы сегодня описываем все явления в пространстве и времени, которые нас окружают. В соответствии с теорией физические объекты не могут обладать сингулярностью. То есть на практике никакое вещество или материя не могут иметь массу, плотность или температуру, равную бесконечности. А вот математика слывет как теоретическая наука, потому в ней есть место функциям с бесконечными значениями. Накладывая одну область знаний на другую, мы получаем примерные расчеты того, что могло происходить в момент Большого взрыва. Это, как уже говорилось, точки с бесконечными физическими величинами. Такое явление получило название физическая или космическая сингулярность. Но ее законы несопоставимы с теорией относительности. Объяснить такое явление может новая теория квантовой гравитации. Это раздел физики, где изучается поведение света, его свойства и значимость во Вселенной. Самой теории еще не существует, но имеются определенные расчеты и предпосылки, которые могут стать ее основой.
Разгадываем тайны гравитации
В астрофизике существует такое понятие, как скорость убегания. Оно используется для того, чтобы определить степень разгона, с которой определенный объект сможет сопротивляться гравитационным силам. К примеру, ракета с учетом ее массы должна двигаться со скоростью около 12 км/с, чтобы покинуть атмосферу Земли. Но если бы наша планета имела диаметр не 12 742 километра, а один сантиметр, то для преодоления поля притяжения нужно было бы двигаться со скоростью большей, чем скорость света. В таком случае Землю окружала бы не привычная нам сила тяготения, а гравитационная сингулярность. Конечно же, все это теория, так как если наша планета примет подобные размеры, она превратится в черную дыру. Но такой опыт дает возможность понять, каково значение гравитации во Вселенной.
От чего зависит сила тяготения?
Чем ближе атомы располагаются друг к другу, тем плотнее вещество. Если молекулы как-либо взаимодействуют между собой, то происходит процесс нагревания, следовательно, температура этого вещества повышается. В земных условиях такие процессы происходят в определенных рамках, потому мы давно изобрели формулы, позволяющие рассчитать поведение любого химического элемента. Все потому, что сила земного притяжения не дает частицам сближаться меньше, чем на определенное расстояние, и отдаляться более, чем на конкретную величину. В открытом космосе, где наблюдаются пустоши между галактиками, пространство особенно разряжено, это называется вакуумом. Тут гравитации нет в принципе, потому малое количество материи пребывает в хаосе. Возле очень плотных объектов (гигантские голубые звезды, квазары, а также черные дыры) сила притяжения поднимается до нереальных для нас, землян, величин. Частицы тут расположены настолько близко друг к другу, что образуется явление, которое называется "гравитационная сингулярность". Это та самая основа, влияющая на искажение пространства и степень кривизны.
Гравитация и поведение материи
В область сингулярности материя не засасывается. Туда притягивается только космический ветер и микроскопические частицы. Но человек чисто теоретически может по доброй воле отправиться в такие области. Они располагаются в квазарах и в черных дырах и, увы, для живых существ являются смертоносными с точки зрения биологии. Попадая в область большой приливной силы, тело начнет растягиваться как вдоль, так и поперек. В результате очертания человека окутают сферу и будут вращаться в ней. Теоретически, если глаза еще будут видеть и передавать сигнал в мозг, человек одновременно сможет лицезреть все свои части тела, включая лицо, которое будет вращаться перед ним, превышая скорость света. Понятно, что в таком виде человеческое тело существовать не может, но ведь это касается земной физики. Однако подобный пример дает нам возможность представить, что такое сингулярность с практической точки зрения. Было бы интересно предположить, что мы как биологический вид сможем принять эти новые физические законы и существовать в таких формах, образуя новые миры для себя.
Течение времени
О том, что такое время, можно спорить вечно. Сегодня его определяют как процесс прохождения физиологических, физических и психических процессов для живых организмов и материи нашего мира. Но свойства времени, его скрытые возможности так и не изучены. Мы воспринимаем его как нечто субъективное, и это тщательно можно отследить, вспоминая свои прошедшие годы. Когда мы проживали первый год жизни, этот отрезок для нас был равен 100 процентам. Он был единственным, что у нас есть, всей жизнью и опытом. На второй свой день рождения один год уже стал 50 процентами, на третий – лишь третью. К 80-летнему возрасту один год уже был лишь 1/80 частицей жизни и ничего практически не значил. Так случалось потому, что в течение первого года все, что мы видели, было новым. В дальнейшем нам попадались уже все более и более привычные вещи и явления. Потому и казалось, что детство тянется невероятно долго, а зрелые годы пролетают моментально. Это наглядный пример того, как восприятие одного человека искажает течение времени. А что же будет, если взглянуть на этот термин с астрономической точки зрения?
Время в начале времен
Это было небольшое отступление, которое дало возможность понять все то, что мы видим. Находясь запертыми в рамках физики и, более того, своего собственного восприятия, нам сложно представить, что мир был и может быть совсем другим. Так вот, сингулярность времени имела такое же место в космологии, как и сингулярность пространства. Сейчас для преодоления отрезка в 1 километр со скоростью 5 км/ч потребуется 0,2 часа. Чтобы долететь от Земли до Сатурна, необходимо затратить несколько лет. Но как быть с временем, если все расстояние, которое имеется в мире, равно 1 сантиметру? Умножая столь ничтожные параметры на бесконечно большую плотность и массу, мы получаем кривизну пространства-времени. Это означает, что в момент, когда Вселенная была сингулярной, могло происходить все то, что мы видим сейчас. События, возможно, перемешивались, невероятно искажались и сопоставлялись. Проще выражаясь, любой материальный объект мог заглянуть как в прошлое Земли или другой планеты, так и в ее будущее.
Технологии и вступление в новую эру
Существует и так называемая теория сингулярности, согласно которой наша планета скоро превратится в большой биотехнический интеллект. По мнению исследователей, к середине 21-го века будет создан компьютер, возможности которого превзойдут возможности мозга. Искусственный разум, естественно, возьмет верх над менее развитыми существами. В этот момент наступит технологическая сингулярность. Такое название было придумано потому, что неизвестно, чем такой прогрессивный скачок в области науки закончится и удастся ли выжить человечеству.
Червоточины
Сингулярность черной дыры, из которой, собственно, и состоит этот космический объект, – одна из самых больших загадок мира. Сама кротовая нора на самом деле выглядит не как яма с воронкой и узким тоннелем, а как сфера, образованная гигантской силой гравитации. О черных дырах мы уже говорили выше, определяя их как смертоносные объекты во Вселенной. Сила их сжатия невероятно велика, потому на горизонте событий искривляется пространство и останавливается время. Сингулярность черной дыры сравнима с теорией Большого взрыва. Досконально не изучено, но считается, что сила сжатия внутри червоточины такая же, как в момент зарождения мира. Вот почему бытует теория о том, что черные дыры – это эволюция новых Вселенных, которые существуют параллельно с нашей.
Приложение, объясняющее часть теории
В общих чертах теорию точки невозврата и бесконечной плотности дает понять игра «Сингулярность». Прохождение миссии связано с перемещением в пространстве и времени, где эти два понятия едины. Герой передвигается между 1950 годом и 2010-м, исправляя ошибки советских ученых и спасая современных каторжников, заключенных на острове, окруженном радиацией. Если погрузиться в этот мир, то постепенно можно понять, что значит время в пространственном измерении.
Подведение итогов
Изучение всех тайн космоса, которые касаются гравитации, дает возможность понять, что теория относительности нас предельно ограничивает. Конечно же, это невероятная находка для земных условий, но если речь идет об изучении иных пространств, то стоит отбросить все стереотипы. Такое понятие, как "сингулярность", переворачивает восприятие звука, световых импульсов, кривизны пространства и длительности времени. Но встречается оно пока что только в математической теории, а в физической практике не находит себе объяснения. Наиболее детально ныне исследуется сингулярность черной дыры, но считается, что эта область хоть и сжата до бесконечности, это не самая сколлапсированная точка Вселенной.
Можно и иначе допустить, То, что происходит и есть то, что отражается через тот же протон.
