УДК 502/504

 

Прейгерман Лев

                   Профессор. Доктор физики. Третья Академическая степень, Ph.D.

                   Академик. Президент ИНАРН.

                   E-mail: preiglev@gmail.com, тел. 054 590 4005

​

Рецензент: профессор О.Е. Баксанский, доктор философских наук.

 

       Системный анализ проблем сингулярности и процессы познания

 

Аннотация. В настоящей статье автор, используя системный подход, анализирует проблемы, которые являются следствием применения в науке не системного представления о сингулярности, и высказывает в связи с этим ряд гипотез, касающихся   фундаментальных основ современной физики и когнитивной науки.

​

Ключевые слова: понятие сингулярности, гравитационная, космологическая и когнитивная сингулярность, закон симметрии, пространство-время, расширение Вселенной,  виртуальность

 

Preigerman Lev

                        Professor. Doctor of Physics, Third Academic Degree (Ph.D).

                        Academician and President IIADS.

                        Reviewer: Professor O.E. Baksanskiy, doctor of philosophical Science.

 

         System analysis of singularity problems and cognitive processes

 

Abstract. In this article, the author, using a systematic approach, analyzes the problems that are a consequence of the application in science of a non-systemic concept of singularity and expresses in this connection a number of hypotheses concerning the fundamentals of modern physics and cognitive science.

​

Key words: gravitational and cosmological Singularity, Law of Symmetry, Space-time, Expansion, Compression, Virtuality, cognitive Science.

 

     Понятие  сингулярности (единственной, особенной) лежит в основе многих явлений Природы. Оно, однако, возникло сначала в математике, как абстрактное понятие, не имеющего прямого отношения к действительности. Под сингулярностью здесь понималась особая точка, в которой непрерывная функция претерпевает разрыв, стремясь к бесконечности или теряя свою регулярность. Значительно позже, как это часто бывает с математическими абстракциями, его стали использовать физики, введя представления о гравитационной и космологической сингулярности. Между этими двумя понятиями, несмотря на кажущееся сходство,  имеет место существенное различие. Понятие гравитационной сингулярности, в частности, лежит в основе множества приближающихся  к точке областей пространства (ядра) в центре черных дыр, в то время, как  космологическая сингулярность, – это одиночный объект, из которого, предположительно,  родилась Вселенная [1].

​

      В самом общем случае, сингулярность – это,  с нашей точки зрения, первичный  структурный элемент любой рождающейся системы. В этом смысле можно,  как мы считаем, говорить о сингулярности звездно-галактических систем, живых организмов или о когнитивной сингулярности, под которой понимается  концептуальная идея бытия  окружающего  мира, основа  его инновационного развития и познания.  Сюда же можно отнести и технологическую сингулярность, момент времени очередного скачка научно-технического  прогресса, когда он, постоянно ускоряясь, достигнет своего апогея и  устремится в бесконечность.  Предполагается, что  она будет достигнута,  когда, как ожидается, в мировой экономике завершится сплошная роботизация, а интеллект роботов, на основе достижений в области разработки искусственного интеллекта, превзойдет человеческий [2].

​

      Предположение о возможности существования во Вселенной гравитационной сингулярности и, соответственно, черных дыр, возникающих в результате гравитационного коллапса звезд большой массы, впервые высказал Лаплас. Оно, впоследствии, нашло теоретическое обоснование в общей теории относительности, а существование черных дыр   подтверждено непосредственными астрономическими наблюдениями. В то же время представление о гравитационной сингулярности не лишено и определенной проблематичности. Она вызвана   проблемой расходимости  решений уравнений Эйнштейна, которая  проявляется в том, что ряд величин, описывающих гравитационное поле, например, скалярная кривизна, плотность энергии в  сингулярности и пр., стремятся к бесконечности. Указанная проблема не  вызывают, однако, с нашей точки зрения, сомнений в существовании гравитационной сингулярности или ошибочности общей теории относительности, как считают некоторые ученые. Она, скорее всего, является результатом несистемного подхода  автора общей теории относительности, который не учел при ее создании   квантовых эффектов, проявляющихся  в пространственно-временных масштабах микромира. Это произошло, во-первых, потому, что  тогда  квантовой теории еще не было, а во- вторых, даже впоследствии, когда она появилась, Эйнштейн ее категорически  отрицал. В результате пространство-время рассматривалось им с классической точки зрения, как непрерывное многообразие. С другой стороны,  в квантовой теории, в противоречие с теорией относительности,  пространство-время рассматривается как фон или вместимость изменяющейся материальной совокупности.  Потребовался гений Матвея Бронштейна, чтобы предложить концепцию объединения общей теории относительности и квантовой теории в единую теорию квантовой гравитации. Разве могли понять невежественные сталинские сатрапы, что, расстреливая в 1936 году попавшего под каток сталинских репрессий Матвея Бронштейна, они расстреливают не  только гения, но и современную науку? Вот  уже с тех пор прошло почти 100 лет, но физики так и не создали  теорию квантовой гравитации, идеи которой унес с собой в братскую могилу гениальный ученый.  Нет сомнения, что с появлением этой теории проблема расходимостей естественным образом исчезнет.

     

     Прототипом гравитационной сингулярности, из которой родились черные дыры, можно также считать любой одиночный элемент, соединение которого со своим антиподом, приводит к рождению качественно новых систем Вселенной. Так, например, сингулярностью, из которой рождаются все живые существа, является одиночная половая клетка. А процесс рождения реализуется после ее оплодотворения, т.е. соединения со своим антиподом. В случае человека и высших животных, в частности, сингулярностью является яйцеклетка, а зародыш появляется после зачатия, т.е. соединения яйцеклетки со своим антиподом, сперматозоидом.

​

    Рассмотрим с этой точки зрения процесс рождения космических тел, галактик и звезд. В течение длительного времени считалось, да и в настоящее время считается, что непосредственно после большого взрыва сразу же возникла кварк-глюонная плазма, основа атомарного вещества, которая затем почему-то уступила свое место темной материи и темному полю. Само же атомарное вещество осталось лишь в виде небольших вкраплений в океане темной материи. С нашей точки зрения, все, скорее всего, обстояло наоборот. В  результате большого взрыва могла появиться лишь первичная, т.е. простейшая одноуровневая бесструктурная (темная), материя.  Стремясь к симметрии, она  стала стремительно расширяться, устремившись  к однородному, полностью симметричному  распределению. 

​

      Вследствие расширения первичная материя приобрела метрические свойства протяженности и длительности. Однако в соответствие с нашими непосредственными восприятиями их часто рассматривают не как свойства родившейся материальной совокупности, а как свойства  некоей отдельной от материи  сущности,  пространства-времени. В качестве его модели обычно принимают, так называемое, псевдоевклидово пространство-время Минковского, введенного специальной теорией относительности, т.е. евклидово пространство, дополненное четвертым измерением, временем. Свободное от материи,  пространство-время Минковского линейно и обладает, как известно, симметрией относительно сдвига во времени, параллельного переноса, поворота, изменения интервала и пр.  При внесении  в него первичной массивной материи время, как следует из теории относительности, локально замедляются, а значит интервалы теряют свою линейность, а пространство-время в целом  искривляется и отклоняется от симметрии. Стремясь к восстановлению своей симметрии, пространство-время стремительно раздувается, а  внесенная в него материальная совокупность по той же причине расширяется.  С другой стороны, массивность материальной совокупности противостоит ее изменениям, поэтому масса, присущая материи, – это сохраняющаяся величина  и, согласно теореме Неттер, – источник калибровочного гравитационного поля. 

​

        Таким образом, стремление визуально ненаблюдаемой (темной) первичной материи к симметрии привело одновременно к возникновению двух противоположных   полей –  антигравитационного расталкивающего поля и дополняющего его антипода – тяготеющего  гравитационного поля.

​

     Оказавшись под воздействием  противоположных  полей, вызвавших одновременно   расширение и сжатие, –  единая  вначале материальная совокупность распалась на разбегающиеся упорядоченные дискретные образования, сгустки. Этот распад происходил как вширь, так и вглубь. Нетрудно понять, что периферийные элементы сгустков оказались лучше упорядоченными, чем внутренние элементы. Поэтому они втягивались внутрь сгустков, создавая поверхностный барьер, ограничивая тем самым размеры сгустков и предохраняя их упорядоченные состояния от разрушения. Свойство материи сохранять свое состояние (симметрии или защищенного порядка) называется инерцией, мерой  которой  является, очевидно, та же масса. Таким образом, масса является одновременно источником гравитации и инерции. В физике этот факт известен  как принцип эквивалентности «тяжелой» массы, источника гравитации, и «инертной» массы, источника сопротивления изменению материальных систем, инерции.    

​

     Распад  первичной материи вглубь привел к преобразованию структуры  некоторой части первичной материи из одноуровневой в многоуровневую. Логично  предположить, что возникшая многоуровневая структура послужила основанием для  образования атомарной (барионной) материи, которая под действием гравитации со стороны темной материи сконцентрировалась в месте ее локализации и образовала галактики и звездные системы. Со своей стороны, можно допустить,  что на микроуровнях также  возникли сохраняющиеся  заряды (электрический, барионный и лептонный). Они, как мы считаем, являются мерой степени однородности  элементарных частиц, входящих в состав атомов и их ядер и поэтому стали источниками  электромагнитных, сильных и электрослабых  калибровочных  полей,  защищающих атомные и ядерные порядки  от разрушения.   

​

     Интересно отметить, что Вселенная  после распада первичной (темной) материи и   формирования галактик и звезд, стремясь к симметрии, продолжает расширяться. Скорость этого расширения в связи с кривизной пространства-времени, увеличивается по мере удаления разбегающихся галактик от центра наблюдения (закон Хаббла). Кроме того, так как с расширением плотность материи убывает, то снижается потенциальный барьер на периферии Вселенной, сдерживающий расширение и ограничивающий его скорость, и расширение Вселенной происходит с ускорением. Не исключено, с нашей точки зрения, что поле, вызывающее указанное ускорение, является, возможно, тем самым   темным полем, за которым физики охотятся в последнее время.  

​

    Что касается Вселенной в целом, то нарушение симметрии   пространства-времени  в местах локализации материальных совокупностей,  приводит к ее  упорядочению [3,4] в этих местах, которое компенсируется симметрией Вселенной в целом.  

       

    Космологическая сингулярность является частным случаем гравитационной сингулярности.  В ней, как предполагается,  была сконцентрирована вся Вселенная в начальный момент времени, когда, кроме нее, ничего еще не было. Это, как уже указывалось выше, существенным образом отличает ее от гравитационной сингулярности, являющейся структурным элементом многочисленных черных дыр, входящих в состав материальной совокупности функционирующей Вселенной. Возможность возникновения космологической сингулярности была строго математически доказана в 1967 году Стивеном Хокингом путем обращения и продолжения времени назад, к нулевому значению любого решения уравнений общей теории относительности. Исходя, как и Эйнштейн, из предположения о непрерывности пространства-времени, Хокинг рассматривал космологическую сингулярность, как точечный объект с нулевой массой и энергией,  бесконечной плотностью вещества, энергии и температуры. Вместе с тем, Хокинг признавал, что определенная указанным образом космологическая сингулярность «не подчиняется ни одному из известных законов физики». Он, в частности, указывал на то, что по законам физики материя не может одновременно быть бесконечно плотной (иметь нулевую энтропию) и бесконечно горячей (иметь бесконечно большую энтропию).  Но дело, с нашей точки зрения, не только в этом. Ведь до большого взрыва не было ни материальной совокупности, ни пространства-времени.  Сингулярность, в связи с этим,  должна была оказаться вне пространства-времени.  Она, поэтому, не может считаться материальным объектом. Это значит, что Вселенная   возникла из «ничего». Наконец, современная квантовая теория вообще не допускает возможности одиночного существования точечного образования в виде корпускулы. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

​

      В 1927 году Вернер Гейзенберг сформулировал соотношения неопределенностей. Согласно Гейзенбергу, в Природе объективно существует предел точности одновременного измерения пары описывающих систему сопряженных, т.е. существующих в единстве и дополняющих друг друга величин. Правда, вначале считалось, что указанные неопределенности  являются следствием неустранимого взаимодействия  частицы с измерительным прибором и, поэтому, к реальной действительности не имеют отношения. Гейзенберг показал, однако, что это не так. Его  правота  подтверждается следующими простыми соображениями.

​

      Пусть, например, мы хотим точно  измерить энергию элементарной частицы в  определенный момент времени или – импульс в данной точке пространства.  Квантовая теория, стартовавшая еще в начале прошлого столетия, установила корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов, из которого следует, что  энергия Е и импульс P любой элементарной частицы определяются соотношениями

                                                       

    E= ђω;   Px=ђkx,                                                            (1)          

                                          

где  ω и k – соответственно частота и  волновое число волны, которая связана с частицей.

​

        Но в  строго определенный  момент времени  невозможно измерить частоту волны, а в заданной точке – длину волны. Это значит, что  в случае точного измерения времени и координаты энергия и импульс  остаются  неопределенными  и, наоборот[1].                            

       

        Практически одновременно с Гейзенбергом, Нильс Бор  вывел из концепции неопределенности принцип дополнительности. Бор, в частности,  показал, что всякий  физический  объект из-за своей неопределенности  и в соответствие с принципом квантовой суперпозиции   не может быть определен однозначно, так как   он одновременно  характеризуется   не менее, чем двумя  противоположными и взаимно исключающими друг друга   состояниями.   

​

      Иначе говоря,  свойства, которые обычно приписываются объекту, ему не принадлежат. Они появляются, лишь  в  процессе его взаимодействия с окружающими объектами, в т.ч. с наблюдателем. Взаимодействия как бы разделяют  находящиеся в единстве противоположные признаки и вырывают объект из неопределенности. Так, например,  атому одновременно приписывается положительный (ядро атома) и отрицательный (электронные оболочки) заряды, существующие в единстве, хотя на самом деле атом нейтрален. Заряд атома и его функционирование, как заряженного объекта, возникают только тогда, когда он взаимодействует с окружающими его близлежащими атомами. В той же мере в Природе нет ни  строго локализованных, т.е. точечных, корпускул, ни бесконечных монохроматических волн. Любой реальный объект  с определенной вероятностью  локализован как корпускула, и не локализован, как волна. Только в предельных условиях под воздействием неукротимо