Характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. Космологическая сингулярность является одним из примеров гравитационных сингулярностей , предсказываемых общей теорией относительности (ОТО) и некоторыми другими теориями гравитации .
Возникновение этой сингулярности при продолжении назад во времени любого решения ОТО , описывающего динамику расширения Вселенной , было строго доказано в 1967 году Стивеном Хокингом . Также он писал:
«Результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики».
Например, не могут быть одновременно бесконечными плотность и температура, т. к. при бесконечной плотности мера хаоса стремится к нулю, что не может совмещаться с бесконечной температурой. Проблема существования космологической сингулярности является одной из наиболее серьёзных проблем физической космологии. Дело в том, что никакие наши сведения о том, что произошло после Большого Взрыва, не могут дать нам никакой информации о том, что происходило до этого.
Попытки решения проблемы существования этой сингулярности идут в нескольких направлениях: во-первых, считается, что квантовая гравитация даст описание динамики гравитационного поля, свободного от сингулярностей , во-вторых, есть мнение, что учёт квантовых эффектов в негравитационных полях может нарушить условие энергодоминантности, на котором базируется доказательство Хокинга , в-третьих, предлагаются такие модифицированные теории гравитации , в которых сингулярность не возникает, так как предельно сжатое вещество начинает расталкиваться гравитационными силами (так называемое гравитационное отталкивание), а не притягиваться друг к другу.
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Кларк, Джон Д.
- Ричард Тайлер
Смотреть что такое "Космологическая сингулярность" в других словарях:
Сингулярность - В Викисловаре есть статья «сингулярность» Сингулярность от лат. … Википедия
СИНГУЛЯРНОСТЬ КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ - (от лат. singularis отдельный … Физическая энциклопедия
СИНГУЛЯРНОСТЬ - космологическая (от лат. singularis отдельный, особый), состояние Вселенной в определённый момент времени в прошлом, когда плотн. энергии материи и кривизна пространства времени были очень высоки (физ. С.) или даже бесконечны (матем. С.). Это… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Гравитационная сингулярность - У этого термина существуют и другие значения, см. Сингулярность. Гравитационная сингулярность (иногда сингулярность пространства времени) точка (или подмножество) в пространстве времени, через которую невозможно гладко продолжить входящую в … Википедия
Космологические модели - Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия
Большой взрыв - по современным представлениям, состояние расширяющейся Вселенной в прошлом (около 13 млрд. лет назад), когда средняя плотность Вселенной в огромное число раз превышала современную. Из за расширения средняя плотность Вселенной убывает с течением… … Энциклопедический словарь
Модель Вселенной - современная Основные качественные выводы, следующие из анализа фридмановской модели (см. Модели Вселенной): Вселенная нестационарна (она расширяется), плотности энергии вещества, и излучения монотонно падают с течением времени; в прошлом… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов
БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ Современная энциклопедия
БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ - по современным представлениям состояние расширяющейся Вселенной в прошлом (ок. 13 млрд. лет назад), когда средняя плотность Вселенной в огромное число раз превышала современную. Из за расширения средняя плотность Вселенной убывает с течением… … Большой Энциклопедический словарь
Большой взрыв - БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ, по современным представлениям, состояние расширяющейся Вселенной в прошлом (около 13 млрд. лет назад), когда ее средняя плотность в огромное число раз превышала нынешнюю. Из за расширения средняя плотность Вселенной убывает с… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Типа, это кто-то видел...
После такой интенсивной предварительной подготовки можно уже, наконец, изложить последовательно весь процесс. Хотя фрагментарно он уже частично представлен текстом, расположенным выше. А теперь, для заинтересовавшихся, последовательно, обо всем по порядку. В "разбирательстве" нам поможет следующий рисунок:
Все сферы, показанные на рисунке, показывают Вселенную на разных этапах ее развития. Центральная часть рисунка, для наглядности, представлена в невообразимо более крупном масштабе, чем периферийная. Фактически они отличаются по размеру примерно на 50 порядков(!)
Эпизодические проявления квантовых свойств ложного вакуума разных масштабов невообразимо долго происходили (а почему бы и нет?) в самых разных точках всего исполинского объема мира (который теперь можно назвать Мегавселенной). В том числе, и в центральной области будущей нашей Вселенной, условно изображенной на рисунке черным шаром наименьшего размера. Но накапливаемой здесь, практически в одной точке, (и по чистому совпадению событий) при этом энергии, не хватало для каких-либо серьезных последствий.
Как раз это и является ответом (и автор работы уверен - ответом правильным) на вопрос, на который, казалось бы, вообще невозможно ответить: что было до Большого взрыва. Разговорам о "бессмысленности" самой постановки такого вопроса, о "невозможности никакого до" пора уже отправиться на свалку истории науки.
Последствий уверенно не возникало, пока количество энергии (и бестелесных, не имеющих массы покоя, элементарных частиц) не достигало предела, условно обозначенного на рисунке объемом белой центральной сферы с радиусом re .
Не следует забывать, что в неразрывной связи с элементами материи (элементарными частицами и энергиями) в рассматриваемом объеме возникали и присутствовали и все присущие природе силы (взаимодействия): гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное ядерное. Некоторые авторы трактуют их в качестве единой тогда силы.
В тех редчайших случаях, когда энергии было немного больше (но лишь на крайне непродолжительное время), система приходила в неустойчивое энергетическое состояние. А когда однажды она достигла таки критического значения, условно показанного внутренней сферой с радиусом rо (темно-оранжевого цвета), состояние этого энергетического сгустка мгновенно стало сингулярным. И он тот час же, как принято говорить, взорвался. Это и стало "нулевой" точкой отсчета, только начиная с которой и занимаются космологией практически все исследователи.
На самом деле, как показано выше, немало чего происходило и раньше, вплоть до естественно-исторической бесконечности. Разговорам об отсутствии времени "в ту эпоху" тоже пора отправляться на свалку. Оно не существовало только в нашей, тогда еще даже не родившейся, системе отсчета.
Тут еще стоит разобраться, не находится ли оно (время) в Метагалактике само по себе, везде и непосредственно. Не только как несколько формальная 4-я координата пространства. Подальше от всяких масс - в "чистом" виде, сквозь который и проносятся миры (в частности, наша Вселенная). Которая как раз и привносит в него (фактом своего существования и движения) местные искажения. И не является ли оно еще одним проявлением (а то и составной частью) вакуума. |
Второе "на самом деле" относится к тому, что при всех ужасающих количествах энергии, сконцентрированной в сингулярном сгустке, никакого взрыва при его расширении, по сути, и не было . Никаких ударных волн (ни аккустических, ни световых), никаких выделений, никаких разрушений чего-либо. Какой же это взрыв? Произошло просто мгновенное расширение исходного сингулярного узелка энергии/ вещества до невообразимых размеров.
Упомянутое только что практически мгновенное расширение представляет собой главный феномен и изюминку всей новой теории. Оно является инфляционным (в терминологии авторов идеи), а по сути - показательным (антилогарифмическим), с очень высокой степенью основания (2 = +100%).
За счет такого прогрессивного "пожирания" расстояний, наша Вселенная (а все, о чем мы до сих пор говорили, и было ее, родимой, основанием) в микроскопические доли секунды достигла тех самых вселенских масштабов (слово то - не случайное!), в которых мы и привыкли ее воспринимать. Точнее, тех, в которых она была 13,75 млрд.лет назад (ведь именно тогда она и возникла).
Пользуясь случаем (причем, случаем - буквально!) материя нашла возможность практически мгновенно распространиться в почти беспредельные дали. (Но только почти).
Считается, что физической основой такой стремительности, кроме энергетической перенасыщенности , был полный отрыв бозонов гравитации (частиц, отвечающих за наличие этой самой гравитации в материальном мире) от остального, стремительно расширяющегося сингулярного содержимого, что еще больше ускорило темп распространения. (Гравитационное воздействие - самое слабое, хотя и самое дальнедействующее среди всех природных сил).
Только вот вопрос: как и КОГДА бозоны гравитации смогли "потом" заполнить собой весь объем Вселенной? При нынешних реальных ее размерах им пришлось бы перемещаться со скоростями, в несколько раз превышающими скорость света.
Получается, что все наши прежние представления о том, что Вселенная "стремительно, почти со скоростью света" распространялась несколько минут, а потом естественным образом (за счет гравитации) "стала постепенно замедляться", в корне ошибочны и неверны . Если бы все происходило по такому сценарию, Вселенная была бы в несколько раз меньше, чем она существует на самом деле.
Итак, вся Вселенная в ничтожные доли секунды достигла размера, ограниченного на рисунке радиусом Ri .
В последующий период времени инфляция, по мнению одних исследователей, прекратилась, а по мнению других - вошла в свой второй, менее стремительный этап.
Вторая точка зрения, по мнению автора сайта, не имеет серьезных оснований. Нет физических причин для "более медленного" протекания инфляционного расширения. Не открыты какие-то особые физические процессы с новым "характерным временем удвоения" чего-либо (а нужно - именно кварков, т.е., фрагментов элементарных частиц). Да и нужды (для объяснения происходящего) в них нет. А даже и будь они, то гиперинфляция все равно прошла бы так стремительно, что этого "нового этапа" никто и не заметил бы.
А как только из энергии гиперинфляционного процесса произошло выделение элементарных частиц, имеющих массу покоя, образовались раздельные понятия пространства и времени. И для всех частиц стала невозможной даже скорость света. А это автоматически означает конец гиперинфляции Вселенной.
Такую резкую перемену состояния можно толковать и тем, что сила тяготения (бозоны) догнала все, ранее ею не надолго отпущенное.
Поскольку везде в гипотетическом огненном шаре было одинаково горячо (а он сам был величиной чуть ли не с половину нынешней Вселенной), необходимо признать, что "взрыв" происходил везде и одновременно , по всему объему, без ярко выраженного центра. Разве что где-то он был чуть сильнее или чуточку слабее (из-за неравномерности движения частиц).
Но еще целых 3 минуты (вечность, по сравнению с микродолями на первой секунде) в расширяющейся далее практически со скоростью света Вселенной ничего существенного в ней не происходило. Кроме ее расширения и связанного с этим охлаждения.
Когда температура горячей смеси из частиц и взаимодействий "упала" до 555 млрд. градусов(!) (это как раз и случилось примерно к исходу третьей минуты), в расширяющемся огненном облаке появились ядра атомов водорода (протоны) и отдельные, чисто спонтанные атомы гелия.
Этот процесс в практически неизменном виде продолжался 380 тысяч нынешних земных лет(!) И эта временная веха приметна только тем, что свет (фотоны), наконец, начал реально опережать фронт распространения самого взрыва (если его можно называть этим словом) и стал видимым для абстрактного стороннего наблюдателя.
И только к концу первого миллиарда лет появились следующие новости - из накопившегося в огромных количествах водорода, к тому времени - уже остывшего, начали формироваться первые газовые звезды и галактики .
В дальнейшем новая модель Вселенной почти ничем не отличается от прежней, с "чистым" взрывом, распространяющимся из одной точки. В обеих моделях Вселенная расширялась и продолжает расширяться . Другое дело, как и по каким причинам. (См. данного раздела).
А вот последняя новость из мира космологии, непосредственно отражающая характер расширения Вселенной. С помощью американского космического рентгеновского телескопа "Чандра " точно установлено, что в первые 7 - 8 миллиардов лет Вселенная расширялась, но скорость этого расширения замедлялась. А в последние 6 миллиардов лет она только ускоренно расширяется. Значит, нашлись силы, посильнее собственных сил гравитации. (Об этом будет еще говориться далее).
За время жизни Вселенной уже в космических масштабах реальный ее размер (по данным на 2013 год) стал примерно в пять раз больше, чем исходный, именно в котором и произошел старт гиперинфляции. (Весьма сомнительные, с точки зрения автора сайта, данные). Видимо, она в этот период перешла в свою качественно иную фазу, что позволяет самым горячим сторонникам теории инфляции предполагать, что новая инфляция(?) Вселенной продолжается еще и в наше время (и будет продолжаться едва ли не до бесконечности). Она, мол, и "поддает жару" Большому взрыву, до полного исчерпания внутренней энергии ложного вакуума, родившего весь этот фейерверк…
Это уже смахивает на нео-догматизм. Или слепую веру. Потрудились бы хотя бы соответствующую модель развития Вселенной представить!
Основное время Большого взрыва в новом понимании этого термина уходит не на покрытие больших расстояний, а на совместный распад ложного вакуума, породившего сингулярность, "горение" продуктов, образовавшихся при одновременном повсеместном взрыве и их постепенное остывание.
На практике - это обычное остывание реликтового тепла Вселенной, только в такой непривычной трактовке.
И в очередной раз уточним, что покрытие огромных расстояний в ничтожные доли секунды при инфляции Вселенной не противоречит постулатам Эйнштейна, так как на рассматриваемом этапе ее развития еще не существует никаких пространственно-временных форм материи (они только начинают возникать). Естественно, нет и понятия скорости.
Самый большой радиус R на показанном выше рисунке условно показывает текущий размер Вселенной. Там же, ненасыщенными оттенками коричневого цвета условно показано пространство (и распределенное в нем вещество) с тремя его измерениями, а оттенками голубого - время (опять-таки, условно).
P.S. Противоречивость многих промежуточных выводов в данной главе объясняется противоречивостью, а, главное, недостаточностью исходных данных. Зато это является прекрасным поводом для самостоятельных размышлений.
Сингулярность
Уравнения современной космологии позволяют найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и описать изменение её физических параметров в процессе расширения. Однако теория, однозначно определяющая поведение Вселенной на начальной стадии, не выработана.
В модели изотропной Вселенной выделяется особое начальное состояние - сингулярность. Это состояние характеризуется огромной плотностью материи и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение. В этом состоянии нарушаются классические законы физики, что заставляет физиков искать непротиворечивые модели, о которых будет сказано ниже.
Картина вблизи сингулярности следующая. В условиях высокой температуры вблизи сингулярности не могли существовать не только молекулы и атомы, но и даже атомные ядра; существовала лишь равновесная смесь различных элементарных частиц.
Квантовая теория гравитации
Как уже указывалось выше, сингулярность является «камнем преткновения» для классических законов механики, термодинамики и гравитации. Они теряют свой физический смысл в точке сингулярности. Особое положение в связи с этим занимает квантовая механика. Как известно, она полностью абстрагирована от таких понятий как координата и скорость и может успешно описывать поведение объектов через энергетические характеристики: массу и энергию. Поэтому многие учёные надеются получить непротиворечивое описание ранней стадии эволюции Вселенной с помощью теории квантовой гравитации. «Наука пока не располагает полной и согласованной теорией, объединяющей квантовую механику и гравитацию, - пишет в одной из своих работ Стивен Хокинг, - но возможность описания процессов лишь только с помощью квантовой механики приводит к революционным выводам»:
1. В связи с тем, что состояние Вселенной описывается лишь только её квантово-механическими характеристиками, а оно имеет вероятностный характер, то полностью отпадает такая характеристика нашего бытия, как время.
2. Для квантово-механического состояния характерно то, что прошедшее не является причиной настоящего, а настоящее не является причиной будущего в строгом смысле этого слова. Следовательно, можно сказать, что «даже если бы перед Большим взрывом происходили какие-нибудь события, по ним нельзя было бы спрогнозировать будущее, т.к. в точке сингулярности детерминированность событий равна нулю из-за квантово-механических процессов».
Причина мира, как мы видим, по-прежнему является для науки вопросом открытым.
Альтернативные модели Вселенной
Состояние сингулярности, с которого начиналась история Вселенной, может являться весомым аргументом в пользу творения мира. Наука в настоящее время не способна дать ответ на вопрос о том, что было в момент большого взрыва, или даже чуть раньше. «Белые пятна» в этой области теоретической физики, вынуждают ученых разрабатывать различные модели Вселенной, в которых сингулярность не является препятствием для классических законов физики. Ниже мы рассмотрим наиболее значительные из них.
Модель Германа Бонди и Томаса Голда
В 1948 г. Герман Бонди и Томас Голд предложили модель стационарной Вселенной. В её основе лежит идеальный космологический принцип: «не существует не только привилегированного места во Вселенной, но и привилегированного момента времени». Поэтому в любое время во всех точках пространства усредненные температура и плотность Вселенной будут иметь одни и те же значения. Такая Вселенная характеризуется экспоненциальным расширением, компенсируемым перманентным рождением вещества. «Синхронность расширения Вселенной и рождения вещества поддерживает постоянство плотности материи-энергии и тем самым приводит к представлению вечной Вселенной, находящейся в состоянии непрерывного рождения вещества».
Модификация теории относительности действительно «позволяет» 1 км3 Вселенной за 1 год творить одну частицу. Это не противоречит экспериментальным данным, но, как замечает Хокинг, такой «производительности» катастрофически мало для "творения" новых галактик. В связи с тем, что между расширением Вселенной и рождением вещества отсутствует «тонкая связь», данная гипотеза является спорной.
Модель Алана Гута
Позднее американский физик Алан Гут предложил модель, в которой Вселенная имела температуру ниже критической для Большого взрыва без нарушения симметрии сил. Это состояние можно сравнить с переохлаждённой водой, когда она при охлаждении определённым образом, не замерзает и при отрицательной температуре. Вселенная в таком состоянии нестабильна и имеет дополнительную энергию, антигравитационное действие которой аналогично действию л-члена в уравнении стационарной Вселенной. Согласно этой модели, даже в местах, где Вселенная была слишком плотной, взаимное притяжение её частей было слабее отталкивания, что повлияло на характер расширения Вселенной. Все неоднородности при этом могли просто сгладиться, как сглаживаются морщины при раздувании резинового шарика. Гут пришёл к следующему выводу: «Нынешнее гладкое однородное состояние могло развиться из большого числа неоднородностей». Стивен Хокинг не согласен с выводом Гута: «Вселенная расширялась так быстро, что предложенная модель фазового перехода не смогла бы существовать без нарушения симметрии сил». Более того, изотропность реликтового фона свидетельствует о том, что в «…прошлом Вселенная была ещё более однородна».
Модель Линде
В 1983 г. известный космолог Андрей Линде предложил хаотическую модель раздувания. Согласно этой модели Вселенная эволюционировала без фазового перехода и переохлаждения, но под воздействием бесспинового поля. Квантовые флуктуации этого поля в некоторых областях ранней Вселенной возрастали, в результате частицы начали расталкиваться. Энергия поля стала медленно уменьшаться, пока раздувание не перешло в такое же расширение, как в модели «горячей Вселенной». «Одна из областей, - отмечает Линде, - может превратиться в наблюдаемую нами Вселенную». Модель Линде показала, что «современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа начальных конфигураций, но не из всякого начального состояния могла появиться такая Вселенная как наша».
Модель раздувания оставляет вопрос о начальных условиях возникновения Вселенной открытым.
Модель Хокинга
Стивен Хокинг стоит особо в ряду физиков-теоретиков. Главным для него является найти подходящую непротиворечивую математическую модель мира. Поэтому он сильно увлёчен введением математических переменных, функций, которые не являются отражением реальности, а лишь служат для упрощения математического аппарата поставленной им теории. Для упрощения математического аппарата им могут быть использованы переход из одной системы координат в другую и неподкреплённая никакими реальными физическими процессами замена действительного времени мнимым.
Хокинг считает, что сингулярность лишает модель Большого взрыва предсказательной силы, т.к. в момент сингулярности нарушаются законы физики и «...из Большого взрыва могло появиться что угодно». Поскольку квантовая теория утверждает, что «может произойти всё, что угодно, если только это не запрещено абсолютно», то Хокинг привлекает во всей полноте математический аппарат и методы квантовой теории. Он вводит понятие волновой функции Вселенной. Необходимость интегрирования требует введения особых граничных условий. Хокинг их вводит: «Граничное условие для Вселенной в том, что у неё нет границ». В его модели Вселенная не имеет границ и замкнута. Хокинг приводит следующий пример: если мы пойдём вдоль экватора, то вернёмся в ту же точку, не достигнув края (границы) Земли, и никто не будет спорить, что Земля ограничена. Хокинг считает, что «предположение об отсутствии границ может объяснить всю структуру Вселенной, включая маленькие неоднородности вроде нас самих».
Вселенная Хокинга не испытывает никаких сингулярностей. Более того, «положение об отсутствии границ превращает космологию в науку, поскольку позволяет предсказать результат любого эксперимента». В этой модели Вселенная рождается из ничего в буквальном смысле, и для этого не требуется существования вакуума.
Хокинг отмечает, что даже если «квантовая теория восстанавливает предсказуемость, потерянную классической теорией, она это делает не полностью». Для Хокинга важно, не то, что его теория не отражает реальность, а то, что эта теория имеет предсказательную силу: «Я не требую, чтобы теория соответствовала реальности, поскольку я не знаю, как она устроена. Реальность не является величиной, которую можно проверить с помощью лакмусовой бумажки. Всё это я связываю с тем, что теория должна предсказывать результаты измерений».
Однако сам Хокинг соглашается, что его квантовая модель «не описывает Вселенную, в которой мы живём, которая заполнена материей...», и для построения более «реалистической модели» опускает ранее привлекавшийся для объяснения космологический член и «включает» поля материи: «…похоже, что нужно иметь во Вселенной скалярное поле с потенциалом V()», которое лишь при определённых условиях эквивалентно космологическому члену.
На наш взгляд, модель Хокинга является отражением мировоззрения автора. Для того, чтобы получить спонтанное, хаотичное рождение Вселенной, Хокинг накладывает на Вселенную условие отсутствия границ. Его Вселенная не нуждается в Творце, не нуждается во внешней причине, она существует только потому, что она не может не быть в силу собственной необходимости.
Илья Пригожин считает, что введение Хокингом мнимого времени вместо реального искажает картину реальности: «Предложение Хокинга (о мнимом времени - В.Р.) выходит за рамки теории относительности, но в действительности представляет собой ещё одну попытку отрицать реальность времени, описывая нашу Вселенную как статичную геометрическую структуру…».
Мы считаем, что безупречное применение математического аппарата может подтвердить любую теорию и какую угодно модель, однако мир, наделённый характеристиками вечного бытия, не может отражать ту реальность, в которой мы живём.
Космологическая модель Пригожина
Лауреат Нобелевской премии за достижения в области неравновесных процессов Илья Пригожин предложил свое понимание происхождения Вселенной. Он считает, что Вселенная возникла из «квантового вакуума» вследствие необратимого фазового перехода. Он утверждает, что Вселенная начала быть во времени, т.е. время вечно, а мир, наша Вселенная существует определённое время. Модель сотворения мира «из ничего» названа им «бесплатным завтраком», и является несостоятельной, поскольку «...вакуум уже наделен универсальными постоянными». Поэтому в его модели Вселенная возникает, формируется из чего-то прежде существующего. Творение мира Пригожин называет актом, трансцендентным по отношению к физической реальности.
Само возникновение видимого мира Пригожин связывает не с сингулярностью, а с неустойчивостью квантового вакуума. «Большой взрыв, - считает он, - необратимый процесс». Пригожин считает, «что от Правселенной, которую мы называем квантовым вакуумом, должен был произойти фазовый переход…».
По мнению Пригожина, «Вселенные возникают там, где амплитуды гравитационного поля и поля материи имеют большие значения».
В заключение краткого обзора концепций ученых необходимо отметить, что любое рассуждение о физическом состоянии Вселенной есть лишь плод интеллекта. Здесь наука подходит «...к краю положительного знания в опасной близости к научной фантастике», поскольку невозможно экспериментальное подтверждение теории. Поэтому построение учёным теоретической модели Вселенной всегда является отражением его мировоззрения.
Новый этап в развитии современной космологии наступил после работ Фридмана (1922 г.).
Используя релятивистскую теорию тяготения Эйнштейна, он получил математическую модель движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое, т.е. Вселенная нестационарная: она должна либо сжиматься, либо расширяться. Из теории Фридмана следует, что наша Вселенная возникла из состояния космологической сингулярности.
В 1948 г. Гамов, Альфер и Херман предложили вариант возникновения горячей Вселенной как результат "Большого Взрыва" вещества.
Основная идея гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы процессы протекания термоядерных реакций в самом начале расширения Вселенной после взрыва и по мере дальнейшей ее эволюции привели к наблюдаемому в космосе в настоящее время соотношению между количеством различных химических элементов и их изотопов.
Наблюдения за различными объектами Вселенной: горячими звездами, большими газовыми туманностями, гигантскими молекулярными облаками, Солнцем, космическими лучами, квазарами, галактиками и т. д. показазали, что в них, по массе, обнаруживается 25 27% гелия, 70 72% водорода и малая примесь остальных химических элементов, доля которых меняется от объекта к объекту, а содержание гелия и водорода постоянно.
Но до образования небесных тел (галактик, звезд и т.д.) вещество Вселенной однородно (все четыре силовых взаимодействий представляет одно "суперобъединение" при температуре T10 32 К) и ни каких перепадов давления не имелось, следовательно, не было и силы, в результате которой и началось стремительное расширение. Особую роль при этом сыграл физический вакуум. Причем он в зависимости от условий может быть разным.
В нем вместе с плотностью энергии (из-за взаимодействия виртуальных частиц) одновременно возникают натяжения (подобно силам натяжения, возникающим при растяжении, например металлического стержня). Эти натяжения эквивалентны отрицательному давлению, т.е. как бы возникает отрицательное давление. В обычных средах натяжения и давления составляют малую долю полной плотности энергии. В физическом вакууме отрицательное давление огромно и по абсолютной величине равно плотности энергии. По мере расширения Вселенной (происходит понижение температуры) симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием нарушается. Как известно, слабое взаимодействие связывают с наличием особых зарядов (отличных от электрических зарядов, между которыми осуществляется электромагнитное взаимодействие с помощью фотонов) и это взаимодействие происходит на очень малых расстояниях.
Это связано, прежде всего, с большой массой переносчиков слабого взаимодействия W + , W и Z o - бозонов. Однако при температуре выше T10 15 К, как показывает расчет, существует единое электрослабое взаимодействие между частицами.
Его переносчики W + , W и Z o - бозоны и -фотоны имеются в изобилии и не обладают массой. Нет массы у кварков и лептонов.Спустя несколько минут после расширения Вселенной температура упала до 10 9 К.
При таких температурах уже стало возможным соединение протонов и нейтронов с образованием ядер дейтерия, которые в результате термоядерных реакций приводили к образованию ядер атомов гелия.
Но из-за продолжающегося расширения Вселенной и снижения температуры термоядерные реакции ранней Вселенной прекращались.
За 5 минут успело образоваться около 25% гелия, а 75% составлял водород. Действительно многочисленные наблюдения показали, что первое поколение звезд во Вселенной имело именно такой процентный состав.
Ядра атомов более тяжелых элементов появились во Вселенной много миллиардов лет позже в результате ядерных реакций в недрах звезд. Все активные процессы с участием элементарных частиц закончились, и наступил длительный период относительно спокойного расширения Вселенной.
Расширяющееся вещество представляло собой высокотемпературную, ионизированную плазму, не прозрачную для излучения фотонов, которое и определяло в тот момент силу давления.
В этой смеси плазмы и излучения имелись небольшие колебания плотности вещества - звуковые волны. По истечении 310 5 лет фотонной эры, за счет продолжающегося расширения Вселенной, плазма остыла до 410 3 К и превратилась в нейтральный газ в процессе захвата ядрами атомов свободных электронов. Этот газ стал прозрачным для фотонов, которые получили (открыты в 1965 г.) название реликтового излучения. В настоящее время энергия реликтовых фотонов уменьшилась, а температура фотонного излучения составляет всего 3 5 К. Реликтовое излучение представляет собой слабый радиошум, приходящий из космоса независимо от направления приемной антенны. Число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом 1 см 3 Вселенной, 500, а их плотность энергии 510 13 эрг/cм 3 . Из-за отсутствия давления излучения упругость нейтрального газа резко упала и стало возможным проявление гравитационной неустойчивости, которая привела к образованию достаточно больших по размеру сгущений газа. Вследствие уплотнения звуковых колебаний при распространении их в этих комках газа, силы тяготения начинают увеличиваться, что и приводит к образованию массивных облаков, эволюционирующих в дальнейшем в сверхскопления галактик, скопления галактик и галактики.
Все что наблюдается сегодня в космосе проявление космологической сингулярности.
В настоящее время считается, что никакого предварительного сжатия перед космологической сингулярностью не было, она стала истоком времени, а сингулярность внутри черной дыры является концом ручейков реки времени. Поэтому в космологической сингулярности время и пространство так же распадаются на кванты. В связи с этим теряет смысл сам вопрос, а что было еще раньше? Можно только отметить, что вблизи сингулярности в масштабах квантов времени и пространства, существовала "пена" этих квантов, т.е. наблюдались квантовые флуктуации пространства и времени. В это время рождаются и тут же исчезают небольшие "виртуальные" замкнутые миры и виртуальные черные, и белые дыры.
Столь малые размеры при больших энергиях кипящей "пены", обусловили возможность существования не трех, а более измерений. Однако эти дополнительные измерения остаются скрученными и не реализуются, а остаются только три пространственных измерения, которые при расширении вещества приводят к современному состоянию Вселенной.
Следовательно, время в сингулярности в корне меняет свои квантовые свойства и начало расширения Вселенной является истоком нашего непрерывного потока времени, которое течет в одном направлении: от прошлого к будущему. Известно, что космологическая сингулярность произошла 15 20 млрд. лет назад. За это время, свет вышедший из какого-либо источника даже в момент начала расширения, успеет пройти конечное расстояние во Вселенной 1520 млрд. световых лет или около 610 15 пк. Поэтому точки пространства Вселенной, лежащие от нас на таких расстояниях, называют горизонтом видимости. Те области пространства, которые лежат за горизонтом видимости, сегодня принципиально не наблюдаемы, а вблизи горизонта видимости мы можем наблюдать вещество из далекого прошлого.
Из-за эффекта Доплера красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект приближается к горизонту видимости. А на самом горизонте - оно бесконечно, поэтому мы можем видеть лишь конечное число звезд и галактик во Вселенной. В связи с этим решается парадокс классической космологии: фотометрический, который заключается в следующем. Так как Вселенная бесконечна, она заполнена бесконечным числом звезд и луч зрения рано или поздно встретит светящуюся звезду. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца или поверхность других звезд. В действительности из-за наличия горизонта видимости мы видим конечное число звезд, которые редко разбросаны в пространстве. Наше ночное небо представляется темным: в нем видны хаотично разбросанные светящиеся точки звезд. Подтверждением горячего начала возникновения нашей Вселенной являются результаты наблюдений за объектами космического пространства. К ним относятся, например, наличие реликтового излучения, наличие 25 30% гелия в составе до звездного вещества ранней Вселенной.
Сегодня во многих публикациях сингулярность Большого взрыва (БВ) преподносится как некая физическая сущность начального состояния Вселенной, момент её возникновения из ничтожно малой области (точки), имеющей бесконечно большие значения плотности вещества и температуры.
Такая физическая трактовка сингулярности, как начало начал возникновения Вселенной, по-существу, мало чем отличается от концепции сотворения мира Творцом из ничего.
Правда есть и другие воззрения на этот счет, в частности, о цикличности развития Вселенной, не лишенные оснований.
Порассуждаем об этом понятии – сингулярность Большого взрыва
Начнем с определений.
В Интернет-энциклопедии «Википедия» сказано следующее (привожу с сокращениями, дабы не погружаться чрезмерно в детали).
Сингулярность (от лат. singularis «единственный, особенный»). К примеру, математическая сингулярность (особенность) - точка, в которой математическая функция стремится к бесконечности или имеет какие-либо иные нерегулярности поведения.
Космологическая сингулярность - состояние Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества.
Возникновение этой сингулярности при продолжении назад во времени любого решения общей теории относительности (ОТО), описывающего динамику расширения Вселенной, было строго доказано в 1967 году Стивеном Хокингом. Также он писал – «Результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная возникла в определённый момент времени. Однако сам момент начала творения, сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики».
Сингулярности не наблюдаются непосредственно и являются, при нынешнем уровне развития физики, лишь теоретическим построением. Считается, что описание пространства-времени вблизи сингулярности должна давать квантовая гравитация.
Из приведенных выше определений следует, что, первое:
сингулярности при нынешнем уровне развития физики являются лишь теоретическим построением
и второе – сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики.
Отсюда можно заключить, что
КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ СИНГУЛЯРНОСТЬ – это математическая абстракция, не имеющая достоверной физической интерпретации.
Науке пока не известно, что происходит с веществом при его, условно говоря, неограниченном сжатии, когда плотность и температура достигают Планковских значений, или возможно их превышают.
Воспроизвести на Земле условия подобного сжатия, чтобы экспериментально что-то изучить и проверить, технически невозможно, даже в обозримой перспективе.
Такого рода условия создаёт только сама Природа, её величество Гравитация, порождая во Вселенной сверхсжатые объекты, так называемые черные дыры (ЧД).
Физика процессов, происходящих с веществом внутри черной дыры, остается загадкой для науки.
Нет и теории, математического описания подобного рода процессов. Определенные надежды связывают с разработкой теории квантовой гравитации, но создать её пока не удаётся.
Зато можно, в отсутствие научной теории, выдвигать гипотезы, строить различные догадки и предположения.
Физическая трактовка сингулярности БВ – Предположение
С учетом вышеизложенного почему бы не предположить, что
Большой взрыв явился следствием перехода вещества сверхмассивной («созревшей») черной дыры в иное фазовое состояние.
Есть ли основания для такого рода предположения? Судите сами.
Первое – вещество Вселенной эволюционирует между, условно говоря, двумя полюсами: от максимально разреженного «пустого» пространства до предельно сжатого состояния черной дыры, находясь в зависимости от условий в той или иной промежуточной стадии, как-то газообразном, жидком, твердом состоянии.
Второе – в черных дырах, этих гравитационных пылесосах Вселенной, сосредоточены огромные массы материи.
По данным Википедии: масса самой тяжёлой сверхмассивной чёрной дыры, обнаруженной в галактике NGC 4889, составляет около 21 млрд солнечных масс, чёрная дыра в квазаре OJ 287 имеет массу 18 млрд и чёрная дыра в центре галактики NGC 1277 - 17 млрд солнечных масс. Эти массы вполне сопоставимы с массой целых небольших галактик.
Ещё одна сверхмассивная чёрная дыра, Q0906+6930 массой в 10 млрд масс Солнц, расположена в созвездии Большой Медведицы на расстоянии 12,7 млрд световых лет от Земли.
Третье – возраст нашей Вселенной оценивается в 13,8 млрд лет. У многих ученых возникает вопрос, как могли появиться столь массивные черные дыры на столь ранней стадии эволюции Вселенной. А если предположить, что черные дыры существовали и до Большого взрыва, который лишь привел к образованию Вселенной, как локального фрагмента Мироздания?
Четвертое – существенным является также то, что черные дыры непрерывно наращивают свою массу, как за счет поглощения ими звезд и межзвездного вещества, так и путем слияния друг с другом, и чем может завершиться такой процесс увеличения массы черных дыр никто пока достоверно не знает.
Чтобы лучше себе представлять о каких фантастических, по нашим обыденным земным представлениям, массах вещества идет речь, стоит напомнить, что масса планеты Земля оценивается приблизительно в 5,98 секстиллионов тонн. Вот как выглядит это число:
5 980 000 000 000 000 000 000 тонн или 5,98·10 24 кг.
Причем, с каждым годом Земля становится все тяжелее: на нее оседает примерно тридцать тысяч тонн космической пыли в год. Масса же Солнца превышает массу Земли почти в 333 тысячи раз, и составляет приблизительно 1,99·10 30 кг. Черные дыры, упомянутые выше, в миллиарды, десятки миллиардов раз по массе больше Солнца.
Для наглядности, если принять за единицу массу Земли, то в сравнении получаем:
Что уж тогда говорить о массе вещества всей наблюдаемой Вселенной, оцениваемой более чем в 10 50 тонн? Трудно себе представить, чтобы все это вещество появилось из ничтожно малой точки – сингулярности Большого взрыва.
Пятое – если переместиться во времени обратно к начальной точке БВ, или, как говорят в кинематографе, отмотать пленку назад, то получим то, что называется Большое сжатие - один из возможных сценариев будущего Вселенной. По этому сценарию расширение Вселенной со временем меняется на сжатие, и Вселенная коллапсирует, в конце концов «схлопываясь в сингулярность (из Википедии)».
Сжимающаяся Вселенная будет разбиваться на отдельные изолированные группы. Вся материя коллапсирует в чёрные дыры, которые затем будут срастаться, создавая в результате единую чёрную дыру – сингулярность Большого сжатия (из Википедии).
И вот эта черная дыра с массой всей Вселенной превращается в стремящуюся к нулю точку с бесконечными плотностью вещества и температуры? То есть в то, что выше определено, как «схлопываясь в сингулярность»? Впечатляет, но едва ли способствует пониманию физической природы такого процесса.
Моё предположение:
СИНГУЛЯРНОСТЬ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА – это математически абстрактное (вырожденное) описание центральной точки черной дыры в момент достижения ею под действием гравитационных сил сжатия критических значений плотности и температуры, достаточных для возникновения и развития процесса скачкообразного перехода материи (вещества) черной дыры в иное фазовое состояние.
Такой переход материи в иное фазовое состояние будет сопровождаться высвобождением колоссальной энергии в виде сгустка излучения, распространяющегося со световой (фотоны) скоростью.
Последователи модели БВ могут сказать, что Большой взрыв совсем не то, что обычно понимается как резкое возрастание давления с внезапным высвобождением энергии в определенной точке или области пространства, а это взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство.
Но что значит ВЕЗДЕ? Если Вселенная, следуя модели БВ, вначале занимала небольшой объем, а затем произошло её резкое (экспоненциально ускоренное) инфляционное расширение, то логично считать, что ВЕЗДЕ – это в относительно небольшой изначальной области, предшествующей последующему инфляционному расширению.
Также и для сверхгигантской черной дыры, вобравшей в себя всё вещество Вселенной (а возможно, только локального фрагмента или локальной Вселенной, или части локальной Вселенной), взрыв будет ВЕЗДЕ в пределах занимаемого ЧД объема, который может быть весьма значительным.
При этом распространяющаяся со световой скоростью область взрыва – излучение с температурой в тысячи миллиардов градусов чем это не инфляционное расширение?
В дальнейшем же, по мере остывания этой расширяющейся области излучения, рождаются и взаимодействуют различные элементарные частицы с последующим образованием из них вещества, звезд, планет и т.д., всё в соответствии с космологической моделью Большого взрыва.
Приведенная физическая интерпретация начального момента БВ представляется мне не совсем лишенной смысла, и к тому же более естественной для восприятия, чем просто математически абстрактное понятие сингулярности.
Мнение ученого
Известный ученый-космолог, знаменитый физик, Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг в своих книгах «Первые три минуты», «Мечты об окончательной теории» подробно и доходчиво объясняет физику процессов, происходивших начиная с одной сотой доли секунды после Большого взрыва, процессов, которые в итоге привели к образованию нашей сегодняшней Вселенной. Однако столь же ясное физическое понимание того, что происходило в более ранний (до одной сотой секунды) промежуток времени, по его мнению, является затруднительным в силу ряда причин. Вот как об этом пишет сам С. Вайнберг (фрагменты из его книги «Первые три минуты»):
Незнание микроскопической физики стоит как пелена, застилающая взор при взгляде на самое начало.
Тем не менее мы можем, по крайней мере, вообразить момент времени, когда гравитационные силы были столь же велики, как и сильные ядерные взаимодействия… . При сверхвысоких температурах энергия частиц в тепловом равновесии может стать так велика, что силы тяготения между ними станут такими же большими, как и любые другие силы. Можно оценить, что такое положение будет достигнуто при температуре около 100 миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов градусов (10 32 К). (А.Ч.: 10 32 К – Планковская температура).
Мы слишком мало знаем о квантовой природе гравитации даже для того, чтобы делать разумные предположения об истории Вселенной до этого времени.
Одна возможность заключается в том, что на самом деле никогда не было состояния бесконечной плотности. Теперешнее расширение Вселенной могло начаться в конце предыдущей эры сжатия, когда плотность Вселенной достигала какого-то очень большого, но конечного значения.
