1. Космологическая Сингулярность и материя.

В настоящее время фактически общепризнанной концепцией происхождения Вселенной является концепция Большого взрыва. Согласно этой концепции, Вселенная существовала в виде так называемой Сингулярности, которая представляет собой сжатое практически в точку пространство-время. В некий момент начала времен произошел Взрыв, в результате которого образовалась материя, и пространство-время за короткий период быстро расширилось со скоростью, значительно превышающей скорость света – так называемое инфляционное расширение, после чего в настоящее время происходит обычное расширение, но ускоряющееся.

Данная концепция подтверждена множеством экспериментальных данных, позволяющих считать ее верной. Однако, существует ряд вопросов, на которые наука пока не может дать ответа. Например, выглядит весьма неправдоподобным утверждение, что в момент Взрыва материя произошла из ничего. Непонятно, что послужило причиной взрыва. И ряд других вопросов. В этой маленькой серии статей я попробую предложить некоторые свои соображения в качестве ответов, а также подчеркнуть некоторые теоретические положения, на которые не всегда обращают должное внимание. 




Еще в 1967 году Стивен Хокинг строго доказал, что если взять любой вариант решений общей теории относительности (ОТО) и «развернуть их назад во времени», то мы придем к Сингулярности в начале Вселенной. Попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Представим, что Вселенная не расширяется, а сжимается под действием силы гравитации. Эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между гравитирующими телами, по мере сжатия будет постепенно возрастать и в конце концов начнет превалировать над другими силами, препятствующими этому сжатию.

Как при этом будет изменяться структура материи? Если не считать биологических объектов, то очевидно, что вначале рухнет молекулярная структура, исчезнут молекулярные, химические свойства материи – валентности, кислоты-основания-соли, молекулярные спектры и т.д. Материя будет состоять из атомов и ионов, ее свойства станут определяться атомными свойствами. При дальнейшем сжатии будут рушиться электронные оболочки, и материя будет становиться ядерной, очень плотной, поскольку размеры ядер значительно меньше размеров электронных оболочек атомов. Такое повышение плотности будет провоцировать дальнейшее увеличение гравитационного потенциала, и материя будет переходить в нейтронную форму. Все перечисленные формы уже в настоящее время открыты астрофизикой, существуют в виде соответствующих космических объектов, и такая их структура вызвана именно гравитацией.

В ходе такого сжатия пространство-время на определенной стадии так или иначе приобретет положительную кривизну, то есть, вид четырехмерной гиперсферы, и его объем станет конечным. В качестве иллюстрации пространства с положительной кривизной можно представить себе двумерный аналог – поверхность обычной сферы, например, воздушного шарика, который сжимается под воздействием каких-то сил.

При дальнейшем сжатии гравитационные силы непременно превзойдут силы связи в нейтронах. К этому времени, видимо, во Вселенной уже больше не будет отдельных составляющих ее объектов.  В результате чего прекратят существование нейтроны и материя станет кварковой. В настоящее время кварковые космические объекты существуют только гипотетически.

А что же дальше? Дальше должно случиться неизбежное. В результате резкого уплотнения материи гравитационный потенциал вырастет до таких чудовищных размеров, что не выдержат и кварки. Поскольку кварки являются наинизшей структурной единицей материи, то она лишится структуры, исчезнут составляющие ее элементы, исчезнет ее объем. Материя не исчезнет, не обратится в ничто – она перейдет в некую бесструктурную, непроявленную форму, праматерию. Гиперсфера пространства-времени стянется в точку, его кривизна станет бесконечной (радиус кривизны – нулевым). Это состояние и назвали космологической Сингулярностью. Все «метры» и «секундомеры» перестанут существовать.

Таким образом, при коллапсе Вселенной материя не исчезает, а испытывает некий фазовый переход, как и при любом фазовом переходе изменяя свое состояние. Такой переход можно назвать фазовым переходом третьего рода. Отличием его от известных фазовых переходов первого и второго рода является то, что материя не просто меняет свою структуру, но меняется из структурированной формы в бесструктурную, непроявленную. Основное свойство материи в непроявленной форме – отсутствие физических свойств, вернее, их неопределенность. Иногда говорят, что материя в Сингулярности очень горячая. Однако понятие температуры в такой форме бессмысленно, поскольку температура есть статистическое свойство, связанное со скоростью частиц, а поскольку нет частиц, то нет и температуры. Иногда утверждают, что материя в Сингулярности существует в виде энергии. На мой взгляд, это полное недоразумение, так как энергия есть физическое свойство материи, представленной в виде частиц и связанное с их импульсами, а значит с массами и скоростями. Это относится и к другим физическим свойствам материи – давлению, объему, плотности, и прочим.

С точки зрения статистической физики лишенная структуры материя полностью неупорядочена, поэтому ее энтропия тоже испытывает сингулярность, такое состояние можно назвать хаосом – состоянием с полным беспорядком. Поэтому утверждения о том, что все в мире произошло из хаоса, имеют вполне конкретный и оправданный смысл.

Примерно то же можно сказать и о пространстве-времени в состоянии Сингулярности. Его основное свойство – протяженность (и в пространстве, и во времени) – теряет смысл. Поэтому бессмысленным также становится вопрос: сколько времени Вселенная находится в таком состоянии, поскольку время не существует.

Здесь требуется уточнение. Утверждение о стягивании пространства-времени в Сингулярность в виде точки является следствием теории гравитационного коллапса ОТО. Несмотря на то, что объединить ОТО с квантовой механикой (КМ) и создать на их базе единую теорию пока не удается, применить квантово-механические принципы к ОТО в отдельных случаях все же удается. Согласно основному принципу КМ – принципу неопределенности, Сингулярность должна все же иметь конечные, хотя и весьма малые размеры – как пространственные, так и временные.

Нам нужно попробовать взглянуть на состояние Сингулярности с другой стороны – не как на результат коллапса Вселенной в ходе нашего мысленного эксперимента, а как на начальную стадию ее существования, начинающуюся с Большого взрыва. Снова «развернем время» вперед, по его естественному ходу. В этом случае Сингулярность есть некая точка, откуда начинаются все мировые линии – траектории всех объектов в 4-мерном пространстве-времени. Перед этой точкой, вернее, до нее, никаких траекторий нет. Ось времени, которую мы привыкли чертить как прямую линию, уходящую в минус- и плюс бесконечность слева и справа, оказывается лучом, ограниченным слева точкой t = 0. То есть, Вселенная не имеет прошлого, уходящего за эту точку. Это явление называется геодезической неполнотой.

Главным следствием отсутствия протяженности во времени является тот факт, что в этом состоянии невозможны процессы, поскольку процесс есть развитие чего-то во времени. А значит из такого состояния нет выхода. Это и есть одна из трудностей концепции Большого взрыва. Поговорим об этом в третьей статье.

В 1970 году Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз опубликовали совместную работу, из которой следовала неизбежность существования космологической сингулярности при выполнении двух условий: что общая теория относительности верна и что Вселенная содержит столько материи, сколько сейчас наблюдается. Работа вызвала много споров, но, по выражению Хокинга, «с математической теоремой трудно поспорить. Поэтому в настоящее время считается общепризнанным, что Вселенная должна иметь начало.».

Резюмируем сказанное.

В состоянии Сингулярности материя не исчезает, а испытывает фазовый переход в бесструктурное состояние, в состояние непроявленной материи, праматерии. В таком состоянии становятся неопределенными ее основные физические свойства: температура, энергия, скорости движения, плотность и другие.

Основное свойство пространства-времени в состоянии Сингулярности – отсутствие его протяженности, отсутствие самой возможности измерения этой протяженности. Понятия единиц измерения длины и времени утрачивают смысл.

Вселенная не имеет прошлого, уходящего за момент Большого взрыва.

В состоянии Сингулярности известные нам законы физики не работают. Теория относительности сама указывает область своей применимости.