Космологическая сингулярность

Космологи́ческая сингуля́рность — гипотетическое состояние Вселенной, характеризующееся бесконечной или стремящейся к бесконечности плотностью и температурой вещества, возникающее в теоретических моделях при экстраполяции расширения Вселенной назад во времени к моменту начала Большого взрыва. Данное понятие является главным в рамках стандартной модели космологии. Однако его физическая интерпретация указывает на фундаментальный предел применимости общей теории относительности в экстремальных условиях. Проблема существования космологической сингулярности остаётся одной из наиболее сложных и нерешённых задач в области теоретической физики и космологии.

Модель Большого Взрыва

Схема экстраполяции участка Вселенной в прошлое до точки, в которой классическая физика предсказывает сингулярность.

В контексте модели Большого Взрыва начальная сингулярность рассматривается как отправная точка эволюции Вселенной. Согласно этой модели, экстраполяция динамики расширения космоса назад во времени с использованием уравнений общей теории относительности неизбежно приводит к состоянию с бесконечными значениями плотности и температуры в конечный момент прошлого. Важно подчеркнуть, что сам Большой Взрыв понимается современной наукой не как взрыв в определённой точке пространства-времени, а как быстрое расширение самого пространства-времени из чрезвычайно горячего и плотного состояния.

Сингулярность представляет собой математическую особенность решения уравнений общей теории относительности, а не физически осмысленное описание «начала» Вселенной. Существующие теории физики, включая квантовую механику и общую теорию относительности, не в состоянии адекватно описать процессы, происходившие в так называемый «нулевой момент». Экстраполяция же классических моделей к этому состоянию приводит к гравитационной сингулярности, что свидетельствует о необходимости привлечения более фундаментальных теорий, таких как квантовая гравитация, для описания самых ранних этапов космической эволюции.

История

История теоретического осмысления космологической сингулярности берёт начало в работах советского математика и геофизика Александра Фридмана. В 1922 году, решая уравнения Альберта Эйнштейна, он вывел свои знаменитые уравнения, описывающие расширяющуюся Вселенную. Он впервые поставил вопрос о возможности существования сингулярности в прошлом. В 1959 году другой советский физик, Лев Ландау, формализовал эту проблему. Значительный вклад в изучение природы космологической сингулярности внесли советские учёные Владимир Белинский, Исаак Халатников и Евгений Лифшиц, которые в 1969 году провели детальный анализ решений уравнений Эйнштейна в окрестности сингулярности. Согласно их теории, известной как теория БХЛ, сингулярность является общим свойством целого класса симметричных моделей, основанных на ОТО, включая модели большой размерности и супергравитации. Их работа выявила сложную хаотическую динамику вблизи сингулярности, получившую название «Вселенная Михмастера» — модель, независимо разработанную американским физиком Чарльзом Миснером в тот же период.

В 1970 году британский астрофизик Стивен Хокинг и математик Роджер Пенроуз разработали теоремы о сингулярностях, которые доказали неизбежность возникновения космологической сингулярности при более общих, чем в теории БХЛ, предположениях, что стало важным шагом в понимании фундаментальности этой проблемы. Дальнейшее развитие теория получила в 2003 году, когда физики Арвинд Борде, Алан Гут и Александр Виленкин сформулировали теорему БГВ. Согласно этой теореме, любая Вселенная, которая в среднем расширяется, должна иметь начало во времени, причём этот вывод справедлив для более широкого класса теорий, включая f(R)-гравитацию, и не зависит от конкретного материального содержания Вселенной. При этом теорема БГВ не обязательно указывает на существование глобальной сингулярности для всех возможных наблюдателей, оставляя пространство для теоретических изысканий. Космологическая сингулярность — это крошечная точка, из которой, как предполагается, возникла Вселенная. Но до сих пор остаётся загадкой, где находилась эта точка и каким образом она смогла породить такое огромное количество материи.

Отсутствие учёта квантовой механики

Фундаментальная проблема описания космологической сингулярности заключается в том, что в условиях экстремально высоких энергий и плотностей, характерных для самых ранних этапов эволюции Вселенной, решающую роль начинают играть квантовые эффекты. Классическая общая теория относительности, будучи неквантовой теорией, не учитывает эти эффекты и, следовательно, не может адекватно описывать физику в планковских масштабах.

Именно в этой области общая теория относительности предсказывает возникновение сингулярности, что интерпретируется как признак её собственного предела применимости, а не как реальное физическое явление. В ответ на эту принципиальную неадекватность были предложены альтернативные теоретические конструкции, пытающиеся объединить гравитацию с квантовой механикой. Одним из таких подходов является теория струн, в рамках которой, например, существует модель, где Большой Взрыв является следствием столкновения многомерных объектов — бран в пространстве-времени, что позволяет обойти проблему сингулярности.

Альтернативы сингулярности

В связи с проблемами, порождаемыми необходимостью учёта квантовой механики, был предложен ряд теоретических моделей, предлагающих альтернативы классической космологической сингулярности. Эти модели развиваются по нескольким основным направлениям. Во-первых, считается, что полная теория квантовой гравитации даст непротиворечивое описание динамики гравитационного поля, свободное от сингулярностей. Во-вторых, существует предположение, что учёт квантовых эффектов в негравитационных полях может нарушить так называемое условие энергодоминантности, которое является одним из ключевых допущений в доказательствах Стивена Хокинга о неизбежности сингулярности. В-третьих, разрабатываются модифицированные теории гравитации, в которых сингулярность не возникает, поскольку предельно сжатое вещество начинает испытывать не притяжение, а расталкивание под действием гравитационных сил — так называемое гравитационное отталкивание. Одной из наиболее разработанных альтернатив является модель Большого отскока, основанная на положениях петлевой квантовой гравитации. Согласно этой модели, Вселенная не возникла из сингулярности, а перешла в фазу расширения из предыдущей фазы сжатия, причем квантовые эффекты предотвратили полный коллапс.

Эта модель естественным образом приводит к концепции циклической Вселенной, в которой эпохи расширения и сжатия сменяют друг друга. Подобные циклические сценарии критиковались за возможное противоречие с теоремой БГВ, однако их модифицированные версии, постулирующие единственный отскок, а не бесконечную серию циклов, позволяют обойти эту проблему, особенно в случае, если предшествующая фаза сжатия была пустой и описывалась, например, компактифицированной моделью Милна. При этом значительный успех инфляционной космологии, предикции которой подтверждаются астрофизическими наблюдениями, может сделать вопрос о физической реальности сингулярности в некоторой степени умозрительным для описания последующей эволюции Вселенной. Инфляционный механизм создает такие начальные условия, которые успешно работают в рамках общей парадигмы Большого Взрыва и согласуются с наблюдательными данными, независимо от того, что именно находилось в «начале» — математическая сингулярность, квантовый отскок или акт спонтанного рождения Вселенной.

В популярных медиа

В средствах массовой информации и научно-популярной литературе модель Большого Взрыва часто и не вполне корректно отождествляется с начальной сингулярностью. Эта распространённая ассоциация обычно является следствием упрощённой экстраполяции наблюдаемого расширения Вселенной назад во времени до точки с нулевым объёмом. Для иллюстрации ошибочности такого подхода физик Мэтт Страсслер приводит следующий аналогию: при экстраполяции жизни человека назад во времени он последовательно становится ребёнком, младенцем, зародышем, однако этот процесс не приводит к сингулярности, так как биологический механизм клеточного деления не может быть экстраполирован до нулевого размера.

Аналогичным образом, экстраполяция модели Большого Взрыва к нулевому моменту времени заводит в область, где сама эта модель и лежащая в ее основе общая теория относительности теряют свою применимость. И для описания физических процессов требуются принципиально иные подходы, учитывающие квантовые эффекты.

Ссылки

• Буровский А. Очередная планетарная революция или уникальная сингулярность? (неопр.). Историческая психология и социология истории. 2018. №2. (2018).