Путенихин П. В.
19.06.2016 г.

  На главную раздела "Научные работы"


          Аннотация

          Предсказание сингулярности обнаружило в общей теории относительности существенные проблемы, ставящие под вопрос полноту теории и даже её ошибочность. В статье показано, что черные дыры могут быть описаны без привлечения понятия сингулярности, являющейся точкой с бесконечно малым радиусом и с бесконечно большой плотностью. Подвергнута критике гипотеза о фермионном газе. Показано, что горизонт событий черной дыры возникает без схлопывания нейтронной звезды в сингулярность.

          Ключевые слова:

          Геодезическая, сингулярность, гравитационный радиус, нейтронная звезда, горизонт событий, черная дыра, фермионный газ, коллапс, анимация.


Содержание
Сингулярная неполнота общей теории относительности
Как в общей теории относительности возникает сингулярность
Гипотеза о вырожденном фермионном газе
Процессы, происходящие сразу после коллапса
Как выглядит рождение черной дыры на анимации
Литература


Несомненно, Солнце сделано из чистого
золота, именно поэтому оно так блестит.


          Сингулярная неполнота общей теории относительности


          Едва ли не в самой большей мере свою популярность теория относительности получила благодаря предсказанию сингулярностей. Сингулярность является одним из самых удивительных и загадочных физических объектов, хотя их реальное существование до сих пор ставится под сомнение. Достаточно сказать, что с нею связано само происхождение нашей Вселенной, всего Бытия, в том числе возникновение пространства и времени. «Сингулярность» переводится как «единственный, особенный» и в физике обозначает особенные состояния пространства-времени. Считается, что в так называемых черных дырах имеется гравитационная сингулярность:

          «Гравитационная сингулярность – область пространства-времени, через которую невозможно гладко продолжить входящую в неё геодезическую линию.

          … либо метрика обладает иными патологическими свойствами, не допускающими физической интерпретации» [33].


          Самой первой сингулярностью следует считать космологическую сингулярность – состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества. Космологическая сингулярность по описаниям в физической и философской литературе даёт основания присвоить ей ещё и «титул» - «божественная сущность». Действительно, обычное описание Большого взрыва можно сформулировать кратко, что Вселенная возникла «Нигде, Никогда, из Ничего». Тем не менее, такое иррациональное происхождение вопреки даже мнению его сторонников в современной физике всё-таки сводится к наличию чего-то «до сингулярного». Это либо некие инфлатонные поля, либо скалярные поля иного содержания, либо пульсирующие Вселенные, то возникающие из сингулярности, то вновь в них проваливающиеся.

          Не менее загадочно обстоят дела и с гравитационной сингулярностью.

          «Гравитационная сингулярность … - точка (или подмножество) в пространстве-времени, через которую невозможно гладко продолжить входящую в неё геодезическую линию. В таких областях становится неприменимым базовое приближение большинства физических теорий» [7].


          Наблюдать сингулярности непосредственно невозможно, при нынешнем уровне развития физики они являются лишь теоретическим построением. Считается, что описание пространства-времени вблизи сингулярности может дать квантовая гравитация. Такие сингулярности менее фундаментальны, чем космологическая, и считается, что они присущи конкретным объектам во Вселенной – черным дырам. В отношении таких сингулярностей ведущие физики довольно определённо признают нефизичность этого понятия:

          «Строго говоря, появление сингулярностей в теории сигнализирует о том, что эта теория является неточной или неполной. Поэтому уже сам факт существования сингулярностей бросает вызов теоретикам» [36].

          Речь идёт, конечно же, в первую очередь об общей теории относительности, которая математически предсказывает существование черных дыр и сингулярностей в них. Английский физик Стивен Хокинг определяет сингулярность как

          «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики» [40].


          Получается, что Хокинг практически признаёт, что современная физики пока не может ни описать, ни объяснить строение чёрной дыры.

          «существует ли «космический цензор», запрещающий появление голых сингулярностей и облачающий каждую из них в абсолютный горизонт событий?» [21].

          Этот вопрос является, возможно, самым фундаментальным нерешенным вопросом общерелятивистской теории коллапса. По очевидным соображениям «увидеть» сингулярность в прямом смысле невозможно – в этом отношении нет особой разницы между горизонтом событий черной дыры и «чистой» сингулярностью. В цитате отражается факт того, что гравитационные сингулярности могут возникать только внутри черной дыры, и какова причина этого, какой «космический цензор» установил это правило, неизвестно. Проблему невозможности описания сингулярности в общей теории относительности в настоящий момент решить не удаётся, но есть надежда, что в будущем, пока ещё только развивающаяся:

          «квантовая гравитация действительно устранит сингулярности» [21].

          Хотя, как видим, здесь речь идёт не столько об описании самой сингулярности, сколько, как можно понять, о замене её на более физичную сущность. Сама сингулярность как бесконечно малая область с бесконечно большой плотностью должна уйти из теорий. Тем не менее, неясно, чем её можно будет заменить, поскольку черные дыры уже фактически обнаружены, описать их поведение без гравитационной сингулярности практически невозможно.

          Возникновение черных дыр и сингулярностей в них связывают исключительно с последним этапом в жизни звёзд – коллапсом. Коллапс…

          «…по крайней мере в рамках общей теории относительности … неизбежно приводит к возникновению сингулярности» [21].

          Инварианты, характеризующие кривизну пространства-времени, в процессе коллапса неограниченно возрастают, и через конечное время по часам на коллапсирующем теле кривизна в его центре становится бесконечно большой. Тело непрерывно сжимается и его плотность неограниченно возрастает:

          «При этих условиях естественно ожидать возникновения сингулярности или какой-либо иной «неприятности» [21].

          И действительно, сингулярность для общей теории относительности и для физики в целом является серьёзной неприятностью. Нет не только более или менее приемлемой теории явления, но оно самим фактом своего существования противоречит всем известным законам физики. То есть, любая существующая или новая теория, которая должна описывать сингулярность, уже изначально будет им противоречить. Сжатое до бесконечной плотности вещество находится в том особом состоянии, которое теоретики описывают как сжатое в пространстве и застывшее во времени.

          «По сути своей, этот загадочный регион больше не подчиняется главным законам вселенной» [8].

          Парадоксально, сингулярности не подчиняются известным законам физики, но при этом являются неизбежным следствием математического формализма общей теории относительности, её прямым следствием:

          «Что сингулярности представляют собой весьма общее явление и что при всем желании от них невозможно избавиться, было известно уже начиная с 1965 г. благодаря теоремам о сингулярностях» [15].

          И это предсказание, не имеющее до сих пор наблюдательного опровержения, оказывает на теорию, так сказать, обратное воздействие, ставя под сомнение истинность теории, которая сама же их и предсказала. В связи с нежелательностью предсказываемых уравнениями Эйнштейна сингулярностей высказывались мнения, что это служит

          «убедительной причиной для модификации этих уравнений» [15].

          В физике возник кризис в связи предсказанием теорией относительности Эйнштейна неизбежности существования сингулярностей. В сингулярной точке уравнения общей теории относительности, связывающие искривление пространства времени с распределением массы и энергии, теряют смысл.

          «Это означает, что общая теория относительности не может предсказать, что получается из сингулярности. … Таким образом, общая теория относительности — не завершенная теория» [38].

          Согласно теории Большого Взрыва в момент своего возникновения Вселенная имела так называемую планковскую плотность – порядка 1094 г/см3. Откуда берутся такие величины? В физике широко применяются несколько подобных величин, имеющих общее название планковских. Что будет с черной дырой при таком сжатии, неизвестно. Есть предположение, что сжатие будет происходить не до сингулярности, а до достижения плотности Планка, после чего этого снова начнется расширение.

          «что происходит при такой плотности, ученые предсказать не могут, но полагают, что это максимально возможная плотность вещества» [23].


          Первоначально система "естественных единиц измерения", основанная на универсальных постоянных Природы, была введена М. Планком. Планковские величины − это фундаментальные физические масштабы длины, времени, массы, температуры и т. д. Планковская система единиц формируется из пяти фундаментальных физических постоянных − скорости света c, гравитационной постоянной G, постоянной Планка ħ, постоянной Больцмана k и элементарного электрического заряда ε0. Из них выводятся основные единицы измерения физических величин:

Пример изображения

          Отсюда и появляется та чудовищная плотность первичной Вселенной. Действительно, планковская плотность равна:

Пример изображения
 
          Правда, возникает легкое недоразумение, поскольку в этом случае принимается, что масса Вселенной в стадии сингулярности довольно мала – планковская, меньше миллиграмма – 2,2х10-5г. Это заметно отличается от предсказаний инфляционной теории Большого Взрыва.

          Считается, что это минимально возможные значения соответствующих величин для времени и расстояний и максимально возможное (для массы элементарных частиц) – для массы. Но почему это так? Все эти величины являются всего лишь искусными, искусственными комбинациями известных физических констант. Каким образом из этого может следовать их предельность? Что препятствует существованию в природе интервалов, меньших, чем планковская длина или время? Скорее всего, это связано с молчаливым согласием физиков, поскольку эти величины имеют довольно «красивое» происхождение, а это ведь неспроста! Значит, следует считать их граничными величинами. Может быть, и сингулярность из их числа? Насколько обосновано введение такого понятия?


 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить