Об истинных размерах черных дыр на пальцах™
Эпиграф:
Как известно, снаружи институт выглядел двухэтажным. На самом деле в нём было не менее двенадцати этажей. Выше двенадцатого я просто никогда не поднимался, потому что лифт постоянно чинили, а летать я ещё не умел. Фасад с десятью окнами, как и большинство фасадов, тоже был обманом зрения. Вправо и влево от вестибюля институт простирался по крайней мере на километр, и тем не менее решительно все окна выходили на ту же кривоватую улицу и на тот же самый лабаз. Это поражало меня необычайно. Первое время я приставал к Ойре-Ойре, чтобы он мне объяснил,как это совмещается с классическими или хотя бы с релятивистскими представлениями о свойствах пространства. Из объяснений я ничего не понял, но постепенно привык и перестал удивляться. Я совершенно убеждён, что через десять-пятнадцать лет любой школьник будет лучше разбираться в общей теории относительности, чем современный специалист. Для этого вовсе не нужно понимать,как происходит искривление пространства-времени, нужно только, чтобы такое представление с детства вошло в быт и стало привычным.
"Понедельник начинается в субботу" А. и Б. Стругацкие
Интересный и совершенно неинтуитивный факт о черных дырах. Несмотря на то, что при взгляде снаружи черная дыра имеет вполне себе конечный объем, если мы думаем о черной дыре как о некой черной сфере, ограниченной Горизонтом Событий, у которого есть определенный радиус, а, значит, и конечный объем, находящийся под этим Горизонтом Событий, то при взгляде изнутри - черная дыра бесконечна, то есть объем пространства, находящегося под Горизонтом Событий бесконечен, или как минимум очень велик, гораздо больше, чем объем нашей Вселенной.
Сегодня мы не знаем наверняка, что происходит под поверхностью (в смысле, за Горизонтом Событий) черной дыры. Мы можем лишь догадываться и более-менее обоснованно предполагать. Так как непосредственное наблюдение внутренностей черной дыры нам сегодня недоступно (а может так статься, что не будет доступно никогда), самое верное, что остается, это взять лучшую существующую на сегодняшний день теорию, и попытаться предсказать, что внутри черной дыры в принципе может происходить.
Лучшая теория, в которой мы более-менее уверены (потому что она подтверждена непосредственными наблюдениями) на космических масштабах - это Теория Относительности Эйнштейна. Как говорится, это не самое лучшее, что лучшее, но покуда это лучшее из того, что у нас есть.
Сами черные дыры, как экстремальные артефакты пространства-времени, как раз и были вначале теоретически предсказаны в Теории Относительности, и лишь многие десятилетия спустя мы начали наблюдать их в реальности.
Потому, для исследования (а на самом деле - аргументированного теоретизирования) внутренностей черных дыр сам Эйнштейн велел пользоваться математикой Теории Относительности, покуда это лучшее, что мы можем натеоретизировать, полагая, что раз остальные выводы у этой теории подтверждаются наблюдениями, то и на пока неподтвержденные тоже можно кое-как положиться.
Согласно Теории Относительности космос представляет из себя гладкое пространство-время, в некоторых местах искривленное туда-сюда наличием в космосе вещества. Черные дыры делают с пространством-временем особо извращенную пертурбацию, они не просто гнут, а прямо-таки рвут пространство-время в клочья, от чего для описания пространства-времени вблизи черной дыры удобнее пользоваться не привычными нам декартовыми координатами, которые все изучали в пятом классе, а т.н. координатами (или диаграммой) Крускала.
Диаграмма Крускала
Диаграмма Крускала не такой уж и сложный, но все-таки приличный матан, это хорошо видно в английской версии википедии, от чего сразу предлагаю перейти к ее упрощенному варианту, т.н. диаграмме Пенроуза, что по сути одно и тоже (даже визуально сходство заметно), только лишних линий меньше и формул нет совсем.
Диаграмма Пенроуза
Для того, чтобы не взрывать с разбегу неподготовленный мозг, широкой публике обычно демонстрируется только правая половина этой диаграммы, потому как народ начинает возбуждаться и неадекватно реагировать на слова "Параллельная Вселенная", "Антигоризонт", "Белая Дыра" и так далее.
Диаграмма Пенроуза "для бедных"
Упрощенная диаграмма Пенроуза говорит о том, что пространство-время во Вселенной можно и нужно разделить на две части, одна, где находимся мы, наша Вселенная, и другая, которая находится внутри Черной Дыры. Там уже не совсем наша Вселенная, точнее говоря, там тоже часть нашей Вселенной, но в которой пространство-время ведет себя не так, как мы привыкли. Эти две части разделены границей Горизонта Событий, и на рисунке видно, что граница эта односторонняя, внутрь пройти можно (там стрелочка нарисована), а назад уже нет.
Почему так происходит? Потому, что, строго говоря, граница Горизонта Событий не делит одно пространство-время на две части - внутри и снаружи. Она является местом соединения (ученые говорят "местом склейки") двух совершенно разных метрик, двух разных пространств-времен.
Принципиально разных.
Если мы возьмем формулы Теории Относительности, и начнем их решать в пространстве-времени, которое находится в нашей Вселенной (снаружи Горизонта Событий, то есть в квадранте I, там где ромбик с надписью "Вселенная"), то получим знакомые нам три координаты пространства и одну координату времени. Которые как-то там изменяются в процессе, искривляются и закручиваются в зависимости от присутствия массы, но все более-менее в привычных рамочках.
А если мы начнем решать те же самые формулы, но находиться при этом будем внутри черной дыры (внутри Горизонта Событий, в квадранте II, в треугольничке, у которого одна сторона - пила не закусывая), то все решения будут явно говорить нам - чуваки, у вас пространство и время поменялись местами!
Выходит, что там, где мы ожидаем встретить наши знакомые пространственные координаты x, y и z вдруг начинает вылезать временная координата t и наоборот, в части формулы, где мы ждем изменения по оси времени, вдруг появляются x, y и z, точнее, их производные, хотя по большому счету, в нашем случае это одно и то же. То есть можно набраться храбрости и заявить во всеуслышание: "В черной дыре пространство стало временем, а время - пространством!"
NB! Внимание, автор категорически не рекомендует заявлять такого вслух! Это не совсем верно, точнее совсем не верно. Время в черной дыре не становится пространством на самом деле, просто формулы начинают указывать на то, что будто бы происходит что-то подобное.
Получается, что пространство приобретает свойства, которые мы раньше логически связывали со временем, а время в какой-то мере, наделяется свойствами пространства.
Например, всем известно, что три координаты пространства у нас вроде "свободные", мы можем двигаться по ним в любую сторону, а вот координата времени четко указывает вперед, и хочешь не хочешь, а двигаться по ней можно только туда, куда указывает стрелка, то есть из прошлого в будущее.
Внутри черной дыры пространство-время устроено так, что нельзя двигаться куда хочешь. Можно двигаться только в центр, туда, где расположено сердце черной дыры, сингулярность. Которая в данном представлении рисуется не привычной нам точкой, а линией, да еще и специально изображается кровожадно-зубчатой линией, чтобы показать неосторожному путешественнику, собравшемуся вместо Турции на отдых в черную дыру - "там конец, там съедят". Сингулярность черной дыры неизбежна (в данном случае, это, кстати, совсем не каламбур), как для нас неизбежно будущее, потому что она находится вроде как в пространственном будущем. Получается, что единственная судьба любого предмета, упавшего в черную дыру - оказаться в сингулярности. Куда бы ты ни двигался, в какую сторону ни пытался бы лететь, разницы никакой, внутри черной дыры физически нет путей, ведущих куда-либо "в другую сторону", все равно пространство тебя вынесет аккурат к сингулярности и разорвет там перед смертью на атомы.
Вот почему из черной дыры невозможно выбраться. Не потому, что она "так сильно притягивает", хотя и это, конечно, тоже. А потому, что как в нашей привычной жизни, что бы ты ни делал, куда бы ни двигался, все равно в прошлое не попадешь, а будущего не избежать, так и в черной дыре - все дороги ведут только к сингулярности, назад в прошлое, в обычную Вселенную, пути уже нет.
В то же время, получается обратная штука, которую я вынес в начало, собственно. Теоретически у времени нет предела, будущее простирается в бесконечность. А, значит, внутри черной дыры у пространства нет предела, объем черной дыры изнутри - бесконечно огромен. Ну, то есть да, время жизни конкретно нашей Вселенной, скорее всего не бесконечно, ее ждет Тепловая Смерть (или даже Большой Разрыв), но если абстрагироваться, в будущее можно двигаться бесконечно долго, даже при Тепловой Смерти Вселенной время не остановится, просто в космосе перестанут происходить видимые процессы, отчего один момент времени станет неотличим от другого, но это уже начинается софистика, в любом случае ждать этого еще очень-очень-очень-очень долго.
Черная дыра тоже не вечна, из-за излучения Хокинга она должна, вроде бы, потихоньку испаряться. Но это очень-очень небыстрый процесс, черная дыра массой в Солнце будет испаряться ~1066 лет (не забываем, что возраст Вселенной всего только ~1010 лет!), отчего можно с некой долей фантазии и упрощения, заявить, что размеры черной дыры звездной величины изнутри составляют как минимум 1066 световых лет, что внутри она если не бесконечно большая, то как минимум в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз больше Обозримой Вселенной.
Ну, и еще раз. Естественно, все это пока лишь досужие рассуждения и теоретизирование. Что действительно происходит внутри черной дыры мы не знаем. Скажу больше, мы наверняка знаем, что там скорее всего не совсем то, что мы можем сегодня натеоретизировать. Нам известно, что Теория Относительности не полна, чтобы точно и четко работать в черных дырах, ее обязательно нужно поженить с квантовой механикой, а этого, вот уже почти целый век, не удается сделать никому. И реальность, вероятно, окажется еще более сложной и замороченной штукой, чем мы тут себе думаем и рассуждаем.