НаверхВся современная физика — это ошибка? Что такое сингулярность и почему она ставит ученых в тупик
В центре черных дыр и в начале времен законы природы просто отключаются. Объясняем, что это значит для всех нас.
Основные идеи
Мнение автора
Сингулярность — это не ошибка Вселенной, а маркер границ наших знаний. Теория Эйнштейна отлично работает в макромире, но здесь она бессильна. Важно понимать: это не тупик, а приглашение к созданию новой физики. Именно такие загадки и двигают науку вперед, заставляя искать квантовую гравитацию.
Представьте, что сила гравитации сжимает вас в бесконечно малую точку, которая не занимает вообще никакого объема. Звучит как научная фантастика, но именно такие объекты, которые называют «сингулярностями», находятся в центрах черных дыр и в самом начале Большого взрыва. Правда, эти сингулярности не являются чем-то физическим. Скорее, это сигнал тревоги. Когда они появляются в математических расчетах, это говорит нам о том, что наши теории ломаются, и нам срочно нужно искать новое, более совершенное объяснение Вселенной.
Что такое сингулярность?
Сингулярности могут возникнуть где угодно, и они на удивление часто встречаются в математике, которую физики используют для описания мира. Проще говоря, это точки, где математика начинает сбоить, а в уравнениях появляются бесконечно большие значения. Классический пример — любое уравнение, в котором есть деление на X (1/X). Когда X стремится к нулю, результат стремится к бесконечности.
Большинство таких математических казусов можно легко разрешить. Ученые просто указывают, что в уравнении чего-то не хватает, или отмечают, что физически достичь такой точки невозможно. Другими словами, скорее всего, такие сингулярности не являются «настоящими».
Но в физике есть сингулярности, от которых так просто не избавиться. Самые известные из них — гравитационные. Это бесконечности, которые появляются в общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), нашей лучшей на сегодня теории гравитации. В ОТО есть два вида сингулярностей: координатные и истинные. Координатные возникают, когда бесконечность появляется в одной системе координат, но исчезает в другой. Это как ошибка в карте, а не в самой местности.
Например, физик Карл Шварцшильд, который применял ОТО к сферическим массам вроде звезд, обнаружил две сингулярности. Одна была в самом центре, а другая — на определенном расстоянии от него, которое сегодня известно как радиус Шварцшильда. Долгое время физики считали, что обе сингулярности указывают на поломку теории. Но вскоре выяснилось, что сингулярность на радиусе Шварцшильда была как раз координатной. Достаточно было просто сменить «карту» — систему координат — и она исчезала, спасая теорию Эйнштейна.
А вот сингулярность в центре массивных объектов никуда не делась. Если сжать объект до размеров меньше его радиуса Шварцшильда, его собственная гравитация станет настолько сильной, что продолжит сжимать его дальше, сама по себе, до бесконечно малой точки.
Десятилетиями ученые спорили, возможно ли такое в реальности. Может, какая-то другая сила способна остановить полный коллапс? Выяснилось, что нет. Хотя белые карлики и нейтронные звезды могут существовать вечно, любой объект, масса которого примерно в шесть раз превышает массу Солнца, обладает слишком большой гравитацией. Она преодолевает все остальные силы и сжимает объект в точку — истинную сингулярность.
Что такое «голые» сингулярности?
Именно такие объекты мы и называем черными дырами: точка с бесконечной плотностью, которая окружена горизонтом событий. Этот горизонт событий «защищает» сингулярность и не позволяет внешним наблюдателям увидеть ее. Чтобы заглянуть внутрь, нужно самому пересечь горизонт событий.
Долгое время физики считали, что все сингулярности в нашей Вселенной окружены горизонтами событий. Эту идею назвали «гипотезой космической цензуры» — как будто некий вселенский закон запрещает («цензурирует») нам видеть эти странные объекты. Однако недавнее компьютерное моделирование и теоретические работы показали, что могут существовать и «голые» сингулярности. Это была бы сингулярность без горизонта событий, которую можно было бы наблюдать со стороны. Существуют ли они на самом деле, до сих пор остается предметом жарких споров.
Что на самом деле в центре черной дыры?
Поскольку это математические, а не физические объекты, никто не знает, что на самом деле находится в центре черной дыры. Чтобы это понять, нам нужна теория гравитации, которая выходит за рамки ОТО. В частности, нам нужна квантовая теория гравитации, которая сможет описать поведение гравитации на микроскопических масштабах. Существует несколько экзотических гипотез, которые пытаются заменить сингулярность в черной дыре: звезды Планка, гравастары и звезды из темной энергии. Но пока все это лишь предположения.
А что насчет сингулярности Большого взрыва?
Современная космологическая модель — теория Большого взрыва — также содержит в себе сингулярность. Если отмотать время назад, примерно на 13,77 миллиарда лет, то, согласно этой теории, вся Вселенная была сжата в бесконечно малую точку.
Физики знают, что этот вывод неверный. Хотя теория Большого взрыва блестяще описывает историю космоса, наличие сингулярности в самом начале говорит о том, что теория неполна и нуждается в доработке. Одно из возможных решений — теория причинных множеств. Согласно ей, пространство-время не является гладким и непрерывным, а состоит из дискретных «атомов пространства-времени». А раз ничто не может быть меньше одного такого «атома», то и сингулярности, то есть бесконечно малые точки, становятся невозможными. Пока что это лишь одна из гипотез, но ученые не теряют надежды найти решение. В конце концов, именно такие загадки и заставляют науку двигаться вперед.
Вас разорвет на атомы. Ученый объяснил, почему падение в черную дыру — худшая смерть во Вселенной
