Космологическая сингулярность – теоретическое построение некоего состояния, в котором находилась Вселенная в начальный момент Большого Взрыва. Особенность этого состояния в том, что оно характеризуется бесконечной плотностью и одновременно бесконечной температурой.
Возникновение понятия
Стивен Хокинг
Космологическая сингулярность является частным случаем гравитационной сингулярности. Если мы привыкли рассматривать материю как некоторое гладкое и бескрайнее пространство (многообразие), то в области гравитационной сингулярности пространство-время искривляется. В 1915 — 1916 г. великий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, согласно которой гравитационные эффекты существуют не как следствие работы каких-либо сил, возникающих между телами или в полях, а вследствие искажения самого пространства-времени. При помощи своих уравнений Эйнштейн смог описать связь кривизны пространства-времени и материи, которая находится в нем.
Позже, в 1967-м году Стивен Хокинг использовал уравнения Эйнштейна для общей теории относительности, которые описывают динамику Вселенной, чтобы получить их решения для прошедшего времени. То есть он определил состояние Вселенной в изначальный момент ее существования, и доказал, что таковой момент действительно есть.
Гравитационная сингулярность
Положение сингулярности в черной дыре
Точно описать гравитационную сингулярность пока не удается по той причине, что многие известные величины в ее пределах устремляются к бесконечности либо становятся неопределенными. Например, плотность энергии выбранной системы отсчета этой области или скалярная кривизна.
Благодаря трудам физиков-теоретиков мы имеем строгие доказательства того, что в сердцах черных дыр, а именно за горизонтом событий должна располагаться такая гравитационная сингулярность, иначе черная дыры просто не сформировалась бы. К сожалению, наблюдать что-либо находящееся за горизонтом событий невозможно в принципе, хотя есть предположения, что существуют черные дыры, сингулярность которых немного выходит за его пределы и может быть наблюдаема. Космологическая же сингулярность называется «голой», так как теоретически ее можно было бы увидеть.
Свойства, парадоксы и следствия космологической сингулярности
Первое прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры и ее тени в центре галактики M87
Основные характеристики сингулярности – одновременно бесконечные температура и плотность вещества. Подобное явление можно попытаться представить как сосредоточение бесконечно большой массы в бесконечно малом объеме. Однако согласно физическим расчетам эти две величины не могут одновременно стремиться к бесконечности. Как известно, температура тесно связана с энтропией — мерой хаоса, которая с увеличением плотности может лишь уменьшаться, как собственно и температура.
Сингулярность в представлении художника
Достоверно известно, что существует определенный момент во времени, в который из сингулярности зародилась Вселенная. Но никакие знания о том, что было до сингулярности, из расчетов или наблюдений мы получить не можем. Также не может быть найдена центральная точка, сердцевина из которой произошел Большой Взрыв. А самое главное, каким образом космологическая сингулярность породила немыслимые запасы материи и энергии нашей Вселенной.
К сожалению, на сегодня разработанные физические конструкции не могут объяснить наличие такого явления, как сингулярность, так как в ее области все существующие законы физики не применимы. Как сказал известный физик современности Митио Каку: «мы называем сингулярностью то, что не можем понять».
