сингулярность

# тег · @ автор · ! учёный

Сингулярность — это область пространства-времени, где кривизна и плотность становятся бесконечными, а известные физические теории (общая теория относительности и квантовая механика) теряют смысл. Такие сингулярности предсказываются в центрах чёрных дыр и в точке начала Большого взрыва. В них перестают работать уравнения Эйнштейна, и требуется теория квантовой гравитации.

История

Первое математическое описание сингулярности появилось в решении Карла Шварцшильда в 1916 году. Позже Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг доказали, что сингулярности неизбежно возникают при коллапсе массивных звёзд.

Как работает

Резиновая плёнка прогибается под тяжестью шара — так работает гравитация; если шар сжать в точку, плёнка лопается, образуя бесконечно острую воронку. Так и пространство-время «рвётся» в сингулярности, создавая бесконечную кривизну.

💡 При падении в чёрную дыру астронавт достигнет сингулярности за конечное собственное время, но для внешнего наблюдателя он никогда не пересечёт горизонт — это противоречие иллюстрирует конфликт теорий.

Сингулярность в общей теории относительности — это место, где тензор кривизны расходится, а геодезические обрываются, делая пространство-время неполным. В космологической сингулярности Большого взрыва масштабный фактор обращается в нуль при бесконечно большой плотности и температуре. В чёрных дырах сингулярность скрыта горизонтом событий согласно гипотезе космической цензуры, хотя возможны и голые сингулярности. Математически сингулярности указывают на границу применимости классической ОТО и мотивируют поиск квантовой теории гравитации, где они могут заменяться планковскими структурами.

История

В 1916 году Карл Шварцшильд нашёл первое точное решение уравнений Эйнштейна для сферически-симметричного тела, содержавшее сингулярность в центре. Долгое время сингулярность считалась математическим артефактом. В 1960-х Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг доказали сингулярные теоремы, показав неизбежность сингулярностей при гравитационном коллапсе и в космологии в рамках классической ОТО. Джон Арчибальд Уилер популяризировал термин «чёрная дыра» и вместе с учениками разрабатывал подходы к квантованию гравитации для устранения сингулярностей; эта проблема остаётся нерешённой.

Как работает

Сингулярность возникает, когда кривизна пространства-времени и тензор энергии-импульса в уравнениях Эйнштейна стремятся к бесконечности. В случае коллапса звезды с массой выше предела Оппенгеймера — Волкова гравитация пересиливает давление вырожденного газа, и вещество неограниченно сжимается до планковского масштаба (10^-35 м), где квантовые поправки должны вступить в игру. В квантовой космологии сингулярность Большого взрыва может заменяться квантовым туннелированием из «ничего» или циклическим отскоком. Современные теории, такие как петлевая квантовая гравитация и теория струн, предлагают механизмы разрешения сингулярностей через дискретность пространства-времени.

R_s = \frac{2GM}{c^2}

R_s — радиус горизонта событий, G — гравитационная постоянная, 6.67430×10^{-11} м^3·кг^{-1}·с^{-2}, M — масса объекта, c — скорость света, 3×10^8 м/с

Открытые проблемы и интересные факты

Существует ли физическая сингулярность или она сглаживается квантовой гравитацией?; Как разрешить проблему космической цензуры: всегда ли сингулярности скрыты горизонтами событий?; Была ли Большой взрыв сингулярностью, и что было «до»?

💡 В решении Керра для вращающейся чёрной дыры сингулярность имеет форму кольца, что теоретически допускает возможность прохождения сквозь него в другие вселенные, хотя любая попытка приведёт к разрушению.

Пока нет статей

сингулярность

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме