Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование - доказанный научный факт.
Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет 11 км/с, а для Солнца - примерно 617 км/с. Они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 км/с. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Ученый из Кембриджа Джон Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость света убегания будет превышать скорость света. Мы не в состоянии их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, притягивается обратно благодаря силе гравитации. Мичелл назвал их "темными звездами". Сейчас мы называем их черными дырами.
Чтобы понять их, нужно начать с гравитации.
Гравитация считается самой слабой из известных сил природы, но у нее есть два существенных преимущества:
- Она действует на большом расстоянии. Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, до которого 150 миллионов километров. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики, до которого примерно 250 000 световых лет.
- Гравитация всегда положительна, в отличии от электрических сил, которые могут быть как положительными, так и отрицательными.
Эти две характеристики означают, что у достаточно крупной звезды гравитационное притяжение между частицами доминирует над всеми остальными силами и приводит к гравитационному коллапсу.
Американский ученый Джон Уилер, главный герой истории о черных дыр, в работах 1950-1060-х годов доказывал, что многие звезды должны со временем переживать коллапс.
Роберт Оппенгеймер изучал проблему бесконечного количества звезд с массой, превышающей предельную массу белого карика или нейтронной звезды, у которых заканчивается ядерное горючее. Он показал, что такие звезды не в состоянии сохранять необходимое давление. А при его отсутствии однородная сферически-симметрически звезда должны сжаться до точки, обладающей бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью. В точке сингулярности, где искривление становится бесконечным, ровное и плоское пространство-время прерывается. То есть сингулярность - это конец пространства и времени.
В сингулярности уравнение Эйнштейна перестают действовать. Это означает, что в точке бесконечной плотности невозможно предсказать будущее. Пенроуз выдвинул принцип космической цензуры: все сингулярности, образованные в результате коллапса звезд или иных объектов, скрыты от наблюдателя черных дыр. Черная дыра - область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть.
Извне невозможно понять, что происходит черной дыры. Что бы в нее ни попадало, каким бы образом они ни сформировалась, черная дыра выглядит одинаково. Черная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть черную дыру.
Падая в черную дыру, вы ничего не заметите. Стороннему наблюдателю ни за что не удастся увидеть, как ваше тело проходит сквозь горизонт событий. Падение будет замедляться, и тело зависнет снаружи. Только силуэт будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, а потом просто исчезнет из виду. С точки зрения внешнего мира, человек исчезнет навсегда.
Все же, чем грозит космическому путешественнику падение в черную дыру?
Большими неприятностями. Если это дыра звездной массы, он превратится в спагетти, даже не достигнув горизонт. Если это сверхмассивная черная дыра, он без проблем пройдет сквозь горизонт, но сингулярности будет выдавлен из бытия.
Поскольку наблюдатель не может увидеть, что происходит внутри черных дыр, то можно определить только ее массу, заряд и вращение. Это означает, что черная дыра должна хранить множество информации, скрытой от внешнего мира. Информации требуется энергия, а энергия обладает массой согласно знаменитому уравнению Эйнштейна.
Если в какой-то области пространства скапливается слишком много информации, она свалится в черную дыру, и размер этой дыры будет отражать количество информации. Это все равно что натаскивать все больше и больше книг в библиотеку. Постепенно полки прогнутся, и библиотеку коллапсирует в черную дыру.
