Что такое особенность? С тех пор, как ученые впервые обнаружили существование черных дыр в нашей вселенной, мы все задавались вопросом: что может существовать за завесой этой ужасной пустоты? Кроме того, с тех пор, как теория общей теории относительности была впервые предложена, ученые были вынуждены задаться вопросом, что могло существовать до рождения Вселенной - то есть до Большого взрыва? Интересно, что эти два вопроса стали решаться (по моде) с теоретическим существованием чего-то, известного как гравитационная сингулярность - точка в пространстве-времени, где законы физики, как мы их знаем, нарушаются. И хотя в этой теории остаются проблемы и нерешенные вопросы, многие ученые считают, что под покровом горизонта событий и в начале Вселенной это было то, что существовало. Определение: В научных терминах гравитационная сингулярность (или пространственно-временная сингулярность) - это место, где величины, используемые для измерения гравитационного поля, становятся бесконечными таким образом, который не зависит от системы координат. Другими словами, это точка, в которой все физические законы неотличимы друг от друга, когда пространство и время больше не являются взаимосвязанными реальностями, а неразрывно сливаются и перестают иметь какое-либо независимое значение.
Это впечатление художника изображает быстро вращающуюся сверхмассивную черную дыру, окруженную аккреционным диском. Предоставлено: ESA / Hubble, ESO, M. Kornmesse. Происхождение теории: Сингулярности были впервые определены в результате теории общей теории относительности Эйнштейна, которая привела к теоретическому существованию черных дыр. В сущности, теория предсказывала, что любая звезда, достигающая определенной точки в своей массе (она же радиус Шварцшильда), будет оказывать гравитационную силу настолько интенсивную, что она разрушится. В этот момент ничто не сможет покинуть его поверхность, включая свет. Это связано с тем, что сила гравитации будет превышать скорость света в вакууме - 299 792 458 метров в секунду (1 079 252 848,8 км / ч; 670 616 629 миль в час). Это явление известно как предел Чандрасекара, названный в честь индийского астрофизика Субрахманяна Чандрасекара, который предложил его в 1930 году. В настоящее время принятым значением этого предела считается 1,39 солнечных масс (т.е. в 1,39 раза больше массы нашего Солнца), что составляет колоссальные 2,765 х 1030 кг (или 2765 триллионов триллионов метрических тонн).
Другой аспект современной общей теории относительности состоит в том, что во времена Большого взрыва (то есть начального состояния Вселенной) была особенность. Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг разработали теории, которые пытались ответить, как гравитация может создавать особенности, которые в конечном итоге объединились и стали известны как теоремы Пенроуза-Хокинга о сингулярности.
Теория большого взрыва: история Вселенной, начинающаяся с сингулярности и расширяющаяся с тех пор. Кредит: grandunificationtheory.com Согласно теореме Пенроуза о сингулярности, которую он предложил в 1965 году, сингулярность, подобная времени, будет возникать внутри черной дыры всякий раз, когда материя достигает определенных энергетических условий. В этот момент кривизна пространства-времени внутри черной дыры становится бесконечной, превращая ее в захваченную поверхность, где время перестает функционировать. К этому добавилась теорема Хокинга о сингулярности, заявив, что пространственно-подобная сингулярность может возникнуть, когда материя принудительно сжата до некоторой точки, что приводит к нарушению правил, управляющих материей. Хокинг проследил это во времени до Большого взрыва, который, как он утверждал, был точкой бесконечной плотности. Однако Хокинг позже пересмотрел это, чтобы утверждать, что общая теория относительности разрушается в периоды, предшествующие Большому взрыву, и, следовательно, сингулярность не может быть предсказана им. Некоторые более поздние предложения также предполагают, что Вселенная не начиналась как особенность. К ним относятся теории типа Loop Quantum Gravity, которые пытаются объединить законы квантовой физики с гравитацией. Эта теория утверждает, что из-за эффектов квантовой гравитации существует минимальное расстояние, за которым гравитация больше не продолжает увеличиваться, или что волны взаимопроникающих частиц маскируют гравитационные эффекты, которые будут ощущаться на расстоянии. Типы особенностей: Два наиболее важных типа пространственно-временных особенностей известны как особенности кривизны и конические особенности. Сингулярности также можно разделить в зависимости от того, покрыты они горизонтом событий или нет. В первом случае у вас есть кривизна и конус; тогда как в последнем у вас есть то, что известно как Голые Сингулярности.
Сингулярность кривизны лучше всего иллюстрируется черной дырой. В центре черной дыры пространство-время становится одномерной точкой, содержащей огромную массу. В результате гравитация становится бесконечной, а пространство-время изгибается бесконечно, и законы физики, какими мы их знаем, перестают функционировать. Конические особенности возникают, когда существует точка, в которой предел каждой общей ковариационной величины конечен. В этом случае пространство-время выглядит как конус вокруг этой точки, где особенность находится на кончике конуса. Примером такой конической сингулярности является космическая струна, тип гипотетической одномерной точки, которая, как полагают, образовалась в ранней Вселенной. И, как уже упоминалось, есть Голая Сингулярность, тип сингулярности, который не скрыт за горизонтом событий. Они были впервые обнаружены в 1991 году Шапиро и Теукольским с помощью компьютерного моделирования вращающейся плоскости пыли, которая показала, что общая теория относительности может допускать «голые» особенности. В этом случае то, что на самом деле происходит внутри черной дыры (то есть ее особенность), будет видно. Такая особенность теоретически была бы тем, что существовало до Большого взрыва. Ключевое слово здесь теоретическое, так как эти объекты остаются загадкой.
На данный момент, особенности и то, что на самом деле лежит под вуалью черной дыры, остается загадкой. Со временем можно надеяться, что астрономы смогут более подробно изучить черные дыры. Также есть надежда, что в ближайшие десятилетия ученые найдут способ объединить принципы квантовой механики с гравитацией, и это позволит пролить дополнительный свет на то, как действует эта таинственная сила.
